ПРОЕКТНЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
«КРАСНОЯРСКИЙ ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТ»

 

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИСПЫТАНИЮ ФУНДАМЕНТОВ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ
ГРУНТАХ ПРОБНЫМИ НАГРУЗКАМИ

 

 

Красноярск,
1974

 

Настоящие Рекомендации дополняют главы СНиП II-Б.6-66 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования», II-А.13-69 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения», «Пособие по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах» и СН 450-72 «Указания по проектированию оснований и фундаментов на засоленных и сильнольдистых вечномерзлых грунтах» практическими методиками определения нормативных сопротивлений, характеристик деформативных свойств и коэффициентов условий работы мерзлых грунтов и подземного льда.

Рекомендации предназначены для проектировщиков, строителей и инженеров-исследователей.

ВВЕДЕНИЕ

Методики испытаний, которые бы позволяли при проектировании фундаментов учитывать переменные во времени нагрузки и другие факторы, связанный с принципами использования вечномерзлых грунтов и технологий ведения строительных работ, не нашли отражения в требованиях Норм строительного проектирования.

В соответствии с общими положениями проектирования по предельным состояниям учет переменных во времени факторов должен осуществляться через коэффициенты условий работы. Коэффициенты условий работы вводятся к нормативным сопротивлениям грунта или льда и показывают поточность отражения действительных условий работы сооружения в расчетных схемах, принятых при нормировании сопротивлений.

Настоящие Рекомендации направлены на восполнение этого пробела в нормах строительного проектирования. Базируясь на кинетических уравнениях для характеристик деформативных свойств мерзлых грунтов. Рекомендации позволяют по результатам сравнительно простых испытаний переходить к расчетам оснований и фундаментов при различных сочетаниях статических и динамических нагрузок.

Рекомендации состоят из общих положений, четырех основных разделов и приложений. Общие положения регламентируют область применения Рекомендаций. Во втором, третьем и четвертом разделах приводятся методики определения нормативных сопротивлений, характеристик деформативных свойств и коэффициентов условий работы мерзлых грунтов и подземного льда. Заключительный раздел Рекомендаций содержит требования по измерению осадок, нагрузок и температур грунта во время испытания. В приложении даны классификация кинетических уравнений и правила конструирования интегральных функций, необходимых для расшифровки материалов испытаний с помощью ЭВМ.

Рекомендации разработаны ст. научным сотрудником А.К. Косинским в институте «Красноярский промстройниипроект».

Применение рекомендаций будет способствовать более полному использованию пластических свойств мерзлых грунтов и подземного льда при проектировании фундаментов и в других случаях использования мерзлых грунтов в качестве материала и среды, в которой возводятся инженерные сооружения.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации дополняют главы СНиП II-Б.6-66, II-А.13-69, «Пособие» (М., 1969) и СН 450-72 методиками определения нормативных сопротивлений, характеристик деформативных свойств и коэффициентов условий работы мерзлых грунтов и подземного льда.

Рекомендации распространяются на проектирование фундаментов и проверку их эксплуатационной надежности во время строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

1.2. Применение Рекомендаций позволяет проектирование оснований и фундаментов проводить с учетом изменения во времени:

а) нагрузок, составляющих расчетное сочетание;

б) мерзлотной обстановки и температурного режима грунтов;

в) положения границ зоны оттаивания-промерзания.

1.3. Испытания, предусматриваемые Рекомендациями, проводятся по специальным программам, допускающим определение полного или частичного набора параметров механических свойств мерзлых грунтов и подземного льда, необходимых для расчетов оснований и фундаментов по предельным состояниям при статических и динамических нагрузках.

Длительность испытаний устанавливается исходя из действительных условий работы фундаментов в нестационарном поле температур.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И ПОДЗЕМНОГО ЛЬДА

2.1. Нормативные сопротивления мерзлых грунтов и подземного льда уточняются для конкретных мерзлотно-грунтовых условий и для принятой технологии работ по возведению фундаментов.

2.2. Величина нормативных сопротивлений устанавливается для среднеинтегральной по толще мерзлых грунтов температуры, определяемой по формуле

                                                            (1)

где h' - длина вмороженной части сваи или заложение подошвы штампа плюс не менее:

3,0 периметра сваи - для свай в вечномерзлых грунтах при льдистости Λ_в ≤ 0,4;

3,0 периметра скважины - для свай в сильнольдистых грунтах и подземных льдах;

2,0 диаметра - для штампов;

q - число i-ых участков мощностью Δh_i, на которые разделена толща h' при измерении температуры.

2.3. Испытания могут проводиться в любое время года с соблюдением следующих требований:

а) испытывается не менее трех свай или штампов одинакового типоразмера в идентичных мерзлотно-грунтовых условиях и при одинаковых среднеинтегральных температурах в толще мерзлых грунтов;

б) пробные нагрузки в испытании поддерживаются постоянными и принимаются равными несущей способности основания Ф (определяемой согласно требованиям главы СНиП II-Б.6-66 и СН 450-72), умноженной на коэффициенты, указанные в табл. 1, соответственно для первой, второй и третьей свай или штампов.

Таблица 1

Примечание. Здесь и далее обозначения без скобок относятся и мерзлым грунтам в пластично-мерзлом состоянии, а в скобках - в твердомерзлом.

в) при испытании регистрируются температура грунта и перемещения опытных свай и штампов во времени, а при оснащении опытных свай тензометрическими устройствами - сопротивления грунта вдоль боковой поверхности сваи и под нижним торцом;

г) программа испытаний по определению нормативных сопротивлений мерзлых грунтов и льда считается выполненной, если средне-интегральная по толще мерзлых грунтов температура в конце испытания изменилась по отношению к начальному моменту не более, чем на 10 проц.

д) дальнейшее испытание свай проводится в режиме ступенчатого нагружения, результаты которого необходимы для определения деформативных свойств и коэффициентов условий работы;

е) длительность испытания свай и штампов назначается по условию

τ_i < τ_i+1 < ... < К_допT, i = 1, 2, 3, ...                               (2)

где τ_i - время до условной стабилизации осадок i-ых свай или штампов;

К_доп - допустимая относительная длительность испытания;

T - период колебаний температур грунта в толще мерзлых грунтов, равный 8760 час.

2.4. Время до условной стабилизации осадок i-ых свай или штампов устанавливается по приращениям относительных деформаций, превышающим 0,01 за следующие интервалы времени: для песков - 12 (6), супесей - 24 (12); суглинков и глин - 48 (24) час.

2.5. Допустимая относительная длительность испытаний определяется по формуле

                                                        (3)

где τ' и τ" - начало и конец испытания, отсчитываемые от момента времени, когда на поверхности толщи вечномерзлых грунтов температура равна нулю.

Допустимая относительная длительность испытания должна удовлетворять уравнению

                                               (4)

где Ф'(τ) - условная скорость изменения несущей способности основания в связи с годовым ходом температур в толще вечномерзлых грунтов;

Ф_i - несущая способность i-ой сваи или штампа к моменту начала испытания;

q - количество участков мощностью Δτ_j, на которые делится продолжительность испытания i-ой сваи или штампа.

2.6. При провидении испытаний в летне-осенний период в уравнении (4) принимается Ф_i = Ф, что соответствует условию Ф'(τ) = 0, где Ф устанавливается согласно требованиям главы СНиП II-Б.6-66 и СН 450-72. Допустимая относительная длительность испытания определяется по формуле

К_доп = 0,10{arctg[(1 - 1,1α)^θ - (1 - 1,1α^θ)]^0,5(1 - 1,1α^θ)^-1 - ln(1 - α)},                  (5)

где α - безразмерный коэффициент, принимаемый по табл. 7 п. 5.8 главы СНиП II-Б.6-66, а для засоленных и сильнольдистых вечномерзлых грунтов - по СН 450-72;

θ - параметр, равный для грунтов в твердомерзлом состоянии 1, а в пластично-мерзлом - 0,5.

Назначение допустимой относительной длительности испытаний может осуществляться по табл. 2.

Таблица 2

Допустимая относительная длительность испытания К_доп

Примечание. Коэффициент α_t принимается для штампов, коэффициент α_s - для свай.

2.7. Нормативное сопротивление мерзлых грунтов и подземного льда R, кг/см² устанавливается по формуле

                                                           (6)

где а₁ и b₁ - вспомогательные коэффициенты, характеризующие зависимость между величиной i-ых пробных нагрузок и расчетным временем до стабилизации осадок t_i;

a₂ и b₂ - то же, для времени до разрушения (срыва сваи ими штампа) t_i^*.

Нормативные сопротивления определяются для расчетов, связанных с использованием мерзлых грунтов и подземного льда в качестве:

а) оснований - для сдвига грунта по грунту и по прослойкам подземного льда (СН 450-72) и сопротивлений R" и R_сдi для расчета фундаментов (СНиП II-Б.6-66);

б) материала и среды, в которой возводятся сооружения, - для сдвига, растяжения и сжатия.

При частичном наборе параметров, устанавливаемых в испытаниях, допускается нормативные сопротивления определять по формуле

                                                      (7)

где а₁ и b₁ - то же, что и в формуле (6);

t_э - срок службы сооружения, принимаемый согласно требованиям главы СНиП II-А.3-62 «Классификация зданий и сооружений. Основные положения проектирования».

При испытании в летне-осенний период в формулах (6 и 7) нормативное сопротивление R заменяется на Ф_оп - несущую способность основания, устанавливаемую по п. 5.11 СНиП II-Б.6-66.

2.8. Расчетное время до стабилизации осадок устанавливается по формуле

                                                (8)

где a₃, b₃ - вспомогательные коэффициенты, характеризующие накопление осадок во времени;

е_к - осадка i-ой сваи или штампа в конце испытания, отнесенная к периметру сваи или диаметру штампа;

τ_к - время до условной стабилизации осадок.

2.9. Вспомогательные коэффициенты в формулах (6, 7 и 8) устанавливаются по формулам (31 - 32) п. 5.7 настоящих Рекомендаций при:

а) X = ln(t_i + 1), У = 1/σ_i (где t_i - расчетное время до стабилизации осадок при σ_i < R, σ_i - величина i-ой пробной нагрузки, отнесенная к боковой поверхности сваи или площади штампа) для a₁ и b₁;

б) X = ln(t^*_i + 1), У = 1/σ_i (где t^*_i - время до разрушения, срыва сваи или штампа, при σ_i > R, σ_i - величина i-ой пробной нагрузки, отнесенная к боковой поверхности сваи или площади штампа) для a₂ и b₂;

в) X = τ, У = τ/е (где τ - время испытания, е - осадка, отнесенная к периметру сваи или диаметру штампа) для a₃ и b₃.

Для определения Ф_оп вспомогательные коэффициенты находятся при:

У = 1/N_i - для подпунктов «а» и «б» настоящего пункта;

У = τ/s для подпункта «в»; где s - осадка сваи или штампа.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ «СВАЯ-ОСНОВАНИЕ» ИЛИ «ШТАМП-ОСНОВАНИЕ»

3.1. Характеристики деформативных свойств системы «свая-основание» или «штамп-основание» определяются через параметры ползучести мерзлых грунтов и подземного льда и необходимы для расчета оснований и фундаментов по деформациям.

3.2. Параметры ползучести мерзлых грунтов и подземного льда уточняются для местные мерзлотно-грунтовых условий и для принятой технологии работ по возведению фундаментов.

3.3. Для определения параметров ползучести проводится испытание не менее трех свай или штампов с соблюдением следующих требований:

а) начало испытания предусматривается в любой период времени года с соблюдением условия

t_i^* < t_i+1 < ... ≤ К_допT, i = 1, 2, 3, ...,                                        (9)

где t^*_i - время до разрушения (срыва сваи или штампа) i-ой сваи или штампа, определяемое по п. 5.6 настоящих Рекомендаций.

Допустимая относительная длительность испытания К_доп назначается согласно пп. 2.4 - 2.5.

б) испытывается не менее трех свай или штампов: два испытания проводятся при одинаковой среднеинтегральной температуре и одно - при температуре, отличающейся от температуры грунта в первых двух испытаниях не менее, чем на 30 - 40 проц., что достигается переходом на другую длину свай (при параллельном их испытании) или испытанием свай и штампов в разное время года;

в) величина пробной нагрузки принимается равной несущей способности основания Ф, определяемой согласно требованиям главы СНиП II-Б.6-66 и СН 450-72 с коэффициентами в 4 - 5 раз выше, чем в испытаниях по п. 2.2 настоящих Рекомендаций.

3.4. Полный набор параметров ползучести мерзлых грунтов и подземного льда необходим для расчетов, связанных с учетом параметров нагрузок и температур, и включает:

а) безразмерный параметр ядра ползучести λ;

б) коэффициент упрочнения m;

в) безразмерные параметры ядра ползучести |θ| и K;

г) параметр ω', кг/см².

3.5. Безразмерные параметры λ и m определяются по результатам испытаний свай или штампов при одинаковых температурах по формулам

                                                       (10)

                                                   (11)

где q - число j-ых сочетаний, составленных из свай или штампов, испытанных при одинаковой температуре;

N_i,j и N_i+1,j - пробные нагрузки i-ых свай и штампов;

t_i^*, t^*_i+1,j - время до разрушения (срыва i-ых свай или штампов);

λ_j - параметр, определяемый по формуле (10) при q = 1;

b_i,j и b_i+1,j - вспомогательные коэффициенты, устанавливаемые по п. 3.7 настоящих Рекомендаций.

3.6. Параметр ползучести |θ| принимается равным среднеинтегральной температуре в толще мерзлых грунтов без учета знака «минус» и устанавливается по п. 2.2 настоящих Рекомендаций.

Параметры K и ω' определяются по формулам

                                  (12)

                                   (13)

где a_i, a_i+1 - вспомогательные коэффициенты для i-ых свай или штампов при общем их количестве n, устанавливаемые по п. 3.7 настоящих Рекомендаций.

Применительно к штампам произведение Uh в формуле (13) заменяется на площадь подошвы штампа.

3.7. Вспомогательные коэффициенты a_i, b_i и b_i,j определяются соответственно как a и b по формулам (31, 32) при X = ln(τ/t₀ + 1) У = ln e(τ), где τ - время испытания, t₀ - единичный параметр, час; e(τ) - осадка, отнесенная к периметру сваи или диаметру штампа.

3.8. При проектировании оснований и фундаментов по деформациям допускается принимать λ/m = 1; 1/m = 2 и переходить к параметру К_Λ, см⁴/кг² ∙ час.

K_Λ = (ω't₀)^-2(1 + |θ|)^1-2K.                                               (14)

Расчеты выполняются в соответствии с «Пособием» к п. 5.7 главы СНиП II-Б.6-66.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ УСЛОВИЙ РАБОТЫ

4.1. Коэффициенты условий работы мерзлых грунтов и подземного льда устанавливаются согласно требованиям главы СНиП I-А.10-72 «Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования» и предназначены для учета действительных условий работы оснований и фундаментов.

4.2. Величина коэффициента условий работы определяется в зависимости от принятого принципа использования вечномерзлых грунтов основания, технологии и темпов задания строительных работ и назначения сооружений.

Коэффициенты условий работы устанавливаются на момент времени, отдаленный от начала эксплуатации сооружения и равный сроку его службы.

4.3. Принцип использования вечномерзлых грунтов основания учитывается нормированием коэффициентов условий работы для изменений во времени:

- мерзлотной обстановки застраиваемой территории;

- температурного режима грунтов;

- границ зоны оттаивания оснований.

4.4. Технология ведения строительных работ при назначении коэффициентов условий работы учитывается в зависимости от условий раннего нагружения фундаментов, допустимого темпа монтажа конструкций и директивных сроков ввода сооружения в эксплуатацию.

4.5. Назначение сооружения при нормировании коэффициентов, условий работы должно учитываться в зависимости от удельного веса длительно действующих нагрузок, степени ответственности сооружения, конфигурации характерных циклов изменения нагрузок и режимов их приложения, а в необходимых случаях - с учетом изменения во времени расчетных схем сооружений, роста нагрузок при реконструкции предприятий и модернизации технологического оборудования.

4.6. При назначении коэффициентов условий работы переменные факторы, указанные в пп. 4.3 - 4.5 учитываются в наиболее невыгодной комбинации.

4.7. Коэффициенты условий работы определяются по материалам испытаний свай и штампов пробными нагрузками, по результатам прогнозных теплотехнических расчетов, данных инженерно-геологических изысканий и опыта эксплуатации сооружений.

4.8. Коэффициенты условий работы определяются на основании кинетических уравнений первого и второго типа.

Классификацию кинетических уравнений см. в приложениях 1, 2 настоящих Рекомендаций.

4.9. Выбор типа уравнений производится в зависимости от укрупненных констант С₁ и С₂.

Испытания по определению укрупненных констант С₁ и С₂, обязательны при проектировании сооружений со значительными динамическими нагрузками: анкерных опор ЛЭП, искусственных сооружений на автомобильных и железных дорогах I и II категории, фундаментов под мотор-генераторы и компрессоры, фундаментов зданий электростанций, промышленных сооружений с мостовыми кранами и другими средствами технологического транспорта тяжелого и весьма тяжелого режимов работы.

4.10. Испытания должны проводиться по программам, обеспечивающим:

а) определение параметров, предусмотренных пп. 2.1 - 2.3, 3.3 и 3.4 настоящих Рекомендаций, или только параметров ползучести мерзлых грунтов и подземного льда;

б) оценку теплообразования внутри деформируемой зоны вечномерзлого грунта при длительных динамических нагрузках;

в) учет релаксации и восстановления напряженного состояния в мерзлых грунтах при последовательных чередованиях периодов «нагружения» и «отдыха»;

г) испытания свай или штампов (не менее двух) при переменном во времени поле температур.

4.11. Применимость уравнения первого или второго типа устанавливается по наименьшему из условий

ρ_оп ≤ ρ_доп,                                                        (15)

где ρ_оп - показатель точности, характеризующий разброс укрупненных констант С₁ и С₂ относительно своих средних значений;

ρ_доп - то же, допустимый показатель точности, принимаемый для ответственных сооружений 10 - 20, а для сооружений массового строительства - 25 проц.

Показатель точности определяется по формуле

                                          (16)

где n - число определений укрупненных констант С₁ или С₂ по материалам испытаний;

 - средняя величина константы;

C_i - значения константы С₁ или С₂ в i-ом испытании.

4.12. Укрупненная константа С₁, кг^1/m/см^2/m ∙ град, определяется по формуле

                                   (17)

где q - число j-ых участков длительностью Δt_j, в пределах которых пробная нагрузка N_i, среднеинтегральная по времени и температура (θ,Δt_j) и высота вмороженной части сваи h_j принимаются постоянными;

 - функция среднеинтегральной по времени температуры, равная

                              (18)

Сумма всех выделенных участков Δt_j должна составлять полное время до разрушения (срыва сваи или штампа). Остальные обозначения в формулах (17 и 18) соответствуют зависимости (10 - 14).

4.13. Укрупненная константа С₂, кг/см² ∙ град., определяется по формуле

                                             (19)

где θ₀ - постоянная, равная единице, град;

q - число j-ых участков длительностью Δt_j, в пределах которых пробные нагрузки, скорость осадок и среднеинтегральную температуру грунта можно считать монотонно меняющимися или постоянными;

A_1,jα_1,j - вспомогательные коэффициенты, характеризующие изменение нагрузок на j-ом участке испытания;

A_2,jα_2,j - то же, изменение осадок;

A_3,jα_3,j - то же, изменение среднеинтегральных по времени температур грунта.

При расчетах по формуле (19) вспомогательный коэффициент α_3,j вводится с противоположный знаком.

4.14. Вспомогательные коэффициенты в формуле (19) устанавливаются при A = a и α = b по формулам (31 - 32) настоящих Рекомендаций для X = ln(Δt_j + 1), где Δt_j - длительность j-го участка испытания, при:

а) y = lnσ_i,j (где σ_i,j - пробная нагрузка, отнесенная к боковой поверхности сваи или штампа на j-ом участке испытания) для A_1,j и α_1,j;

б) y = lne_i,j (где e_i,j - осадка, отнесенная к периметру сваи или диаметру штампа) для A_2,j и α_2,j;

ж) y = ln|θ_j| (где θ_j - параметр, равный среднеинтегральной температуре без знака минус) для A_3,j и α_3,j.

4.15. Для расчетов, связанных с использованием мерзлых грунтов и подземного льда в качестве материала и среды, в которой возводятся сооружения, укрупненные константы С₁ и С₂ устанавливаются по результатам испытаний на сдвиг, растяжение и сжатие.

4.16. Коэффициенты условий работы КУР определяются по формулам

                                         

где J_j и  - интегральные функций, учитывающие факторы, указанные в пп. 4.3 - 4.5 соответственно в кинетических уравнениях первого и второго типа.

При расчетах по формулам (20 - 21) нормативное сопротивление мерзлых грунтов может заменяться несущей способностью основания, определенной в соответствии с главой СНиП II-Б.6-66 и строительными нормами СН 450-72 или несущей способностью Ф_оп.

Правила конструирования интегральных функций приводятся в приложении 3.

При использовании мерзлых грунтов и подземного льда в качестве материала и среды, в которой возводятся сооружения, коэффициенты условий работы устанавливаются по результатам испытаний на сдвиг, растяжение и сжатие.

4.17. При переменном во времени коэффициенте упрочнения m = m(t) величина КУР определяется по среднеинтегральному его значению, равному

                                                            (22)

где q - число участков мощностью Δt_i, на которые делится графическая зависимость коэффициента упрочнения во времени при

4.18. При проектировании зданий и сооружений с нагрузками легкого и среднего режима коэффициенты условий работы принимаются по табл. 3.

Таблица 3

Примечание. Коэффициенты относятся к температуре грунта, определяемой по формулам (10 и 11) СНиП II-Б.6-66. При учете колебаний температур грунта в годовом цикла значения коэффициентов могут быть повышены при глубине заложения фундаментов до 3 м на 20, до 5 м - на 10, а для свай - на 30 проц.

4.19. При разработке проектов организации работ рекомендуются действительные условия работы фундаментов, насыпей и других элементов земляных и ледогрунтовых сооружений в строительный период оценивать через показатель допустимого тепла нагружения  и относительную температуру θ_э/θ_с, при которой обеспечиваются устойчивость основания или элементов земляного сооружения.

4.20. Показатель допустимого темпа нагружения определяется по формуле

                                               (23)

где α, β, γ, δ - вспомогательные коэффициенты, характеризующие изменение нагрузок расчетной схемы основания или элементов земляного сооружения и температуры грунта, равные

α = P_c/P_э;                  (24)

где P_c, P_э - удельные нагрузки, кг/см², к моменту окончания строительства t_c и при эксплуатации сооружения t_э;

 и θ_с, θ_э - интенсивность касательных напряжений от единичных сил и параметры, равные среднеинтегральной по времени температуре, соответственно во время строительства и эксплуатации сооружения.

В расчетах по формулам (23 - 24) допускается температуру во время эксплуатации сооружения θ_э определять по пп. 5.7 - 5.8 главы СНиП II-Б.6-66.

Относительная температура, при которой обеспечивается устойчивость сооружения во время строительства, устанавливается по формуле

                             (25)

где λ, K, m - параметры ползучести;

 - показатель допустимого темпа нагружения.

Предусмотренный в проекте организации работ рост нагрузок должен проверяться расчетом, если показатель допустимого темпа нагружения больше единицы.

4.21. Несущая способность фундамента Ф(t) в момент времени t, отсчитываемый от начала нагружения, оценивается по формуле

Ф(t) = P_cUh_c                                           (26)

где U и h_c - периметр и длина вмороженной части сваи во время строительства.

5. ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРЕНИЯМ

ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Нормативные сопротивления фундаментов, деформативные свойства системы «свая-основание», «штамп-основание» и коэффициенты условий работы устанавливаются на основе измерения нагрузок, осадок и температуры грунта.

5.2. Измерения производятся с помощью:

- динамометров, контрольных грузов и манометров, обеспечивающих определение нагрузок с точностью 50 кг и менее;

- индикаторов, деформометров или прогибомеров, обеспечивающих определение осадок с точностью 0,05 и менее;

- термометров или терморезисторов, позволяющих определить температуры грунта с точностью 0,1 °С;

- часов общего назначения или отметчиков времени, обеспечивающих фиксирование времени испытания с точностью не более 0,5 мин.

Периодичность снятия отсчетов зависит от вида нагрузок и определяется программой испытания.

5.3. Осадки измеряются на каждой ступени нагрузок, отсчеты снимаются последовательно через 5, 10, 20, 30, 60 мин. и далее на протяжении 6 - 10 часов через каждые 2 час. При переходе осадок в стадию прогрессирующего течения отсчеты берутся через 60, 30, 20 мин.

5.4. Температура измеряется в поверхностном слое сезонного оттаивания и промерзания и в толще мерзлых грунтов в точках, расположенных не менее, чем через 0,5 - 1,0 м и с учетом требований п. 2.2 настоящих Рекомендаций.

5.5. При испытании свай или штампов переменными нагрузками необходимо контролировать заданный закон изменения нагрузок и по результатам измерений строить синхронные по времени зависимости для нагрузок, осадок и температур грунта.

5.6. Первичная обработка измерений состоит в определении:

                                                      (27)

а) среднеинтегральной по времени нагрузки

где τ_i - продолжительность испытания;

q - число j-ых интервалов времени, внутри которых изменчивостью нагрузок можно пренебречь;

Δτ_j - длительность j-го интервала;

N_i,j - величина нагрузки на j-ом интервале;

б) среднеинтегральной по толще мерзлых грунтов температуры в заданные моменты времени

                                                    (28)

где h + h' - длина замороженной части сваи с учетом требований пп. 2.2 и 5.4;

θ_i - температура i-го слоя вечномерзлого грунта мощностью Δh_i, на которые разбивается глубина h + h';

q - количество участков, внутри которых измеряется температура;

в) среднеинтегральной по времени температуры грунта

                                                  (29)

где τ_i - продолжительность испытания;

q - число интервалов времени, на которых изменчивостью температур можно пренебречь;

θ_j - среднеинтегральная по толще мерзлых грунтов температура в j-ый интервал времени испытания;

Δt_j - длительность j-го интервала испытания;

г) времени до разрушения

                                                        (30)

где a_i, b_i - вспомогательные коэффициенты, характеризующие накопление деформаций на стадии затухающей ползучести;

a'_i, b'_i - то же, на стадии прогрессирующего течения.

5.7. Вспомогательные коэффициенты определяются по формулам

                                                     (31)

                                               (32)

где n - число опытных точек;

a - коэффициент, равный ординате, при X = 0;

b - тангенс угла наклона спрямленной кривой;

x и y - координаты спрямления, принимаемые по пп. 2.9, 3.7, 4.14 настоящих Рекомендаций.

5.8. По результатам контроля пробных нагрузок и измерения температуры грунта устанавливаются фактические отклонения от заданного режима нагружения. Нагрузки и температуры относятся к постоянным, если в начале, конце и середине испытания на заданной ступени нагрузок результаты измерений отличаются не более, чем на 5 - 10 проц.

5.9. Требования Рекомендаций распространяются на испытания образцов грунта и горных пород в условиях ползучести.

Приложение 1

КИНЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

1. Общая форма кинетических уравнений определяется условиями длительной прочности мерзлых грунтов и строится методами термодинамики необратимых процессов.

2. При построении кинетических уравнений решаются две самостоятельные задачи:

а) выбор параметров, характеризующих состояние мерзлого грунта;

б) вывод кинетического уравнения для обобщенных характеристик деформативных свойств.

3. Кинетическое уравнение включает физический закон накопления деформаций. В качества физического закона рекомендуется использовать теорию течения. Восстанавливающие деформации могут специально не выделяться. Релаксационные явления (снижение напряжений при постоянной упругопластической деформации и восстановление напряженного состояния после разгрузки и фиксирования остаточных деформаций) учитываются неявно.

4. Теория течения должна приниматься в форме

                                                    (1)

где D_ε и D_σ - девиаторы скоростей деформаций и напряжений;

f(T,θ,τ) - функция интенсивности касательных напряжений (T), температуры (θ) и времени (τ)

f(T,θ,τ) = ψ(T)B(θ)φ'(τ),                                                    (2)

отражающая переменную вязкость грунта.

В формуле (2)

ψ(Т) - функция напряженного состояния

                                                             (3)

B(θ) - функция температуры, учитывающая влиянии температуры грунта на скорость накопления деформаций;

                                                     (4)

φ'(τ) - ядро ползучести

                                                            (5)

(Здесь и в дальнейшем m - коэффициент упрочнения, ω, K, |θ| и λ - параметры ползучести, которые являются характеристиками деформативных свойств).

5. При φ'(τ) = 1 и m = 1/n функция f(T,θ,τ) физического закона (1) описывает течение льда с постоянной скоростью и может быть выряжена формулой

                                                   (6)

где K_Λ - параметр ползучести льда.

Параметр ползучести льда и мерзлых грунтов связны зависимостью

K_Λ = ω^-n(1 + |θ|)^1-Kn.                                                     (7)

6. Номенклатурные признаки мерзлых пород оказывают влияние на параметры ползучести. Поэтому все функции физического закона накопления деформаций должны определяться по материалам региональных обобщений или из испытаний на конкретных площадках. Параметры ползучести должны учитывать влажность-льдистость, плотность и засоленность грунтов, их происхождение, а для свай - дополнительно технологию погружения и условия их вмораживания.

7. Физическому закону (1) соответствует кинетическое уравнение

                                (8)

где t^* - время до разрушения, характеризующее наступление стадии прогрессирующего течения;

P(τ) - закон изменения нагрузок;

 - закон изменения интенсивности касательных напряжений от единичных сил;

 - функция переменной по времени температуры

                                       (9)

R - нормативное сопротивление грунта данному виду нагрузок;

 - функция температуры

                                             (10)

φ(t) - интеграл ядра ползучести для срока службы сооружения.

8. Применительно к расчету и испытанию свай функции температуры  и  должны рассматриваться как среднеинтегральные по длине вмороженной части сваи, а эпюра интенсивности касательных напряжений может приниматься по решению задачи о напряженном состоянии или по экспериментальным данным, получаемым с помощью тензометрии.

9. При расшифровке материалов испытаний свай на вертикальные нагрузки допускается сопротивление грунта под нижним торцом сваи специально не выделять. Это допущение приводит к уравнению следующего вида:

                            (11)

где N(τ) - закон изменения пробной нагрузки;

U и h- периметр и длина вмороженной части сваи;

Ф - несущая способность основания при постоянной нагрузке и температуре.

Остальные обозначения в формуле (11) соответствуют зависимостям (2 - 10).

10. Правая часть уравнения (11) представляет собой укрупненную константу, инвариантную различным режимам нагружения. Поэтому вместо (11) можно записать

                                              (12)

где функция температуры зависит от среднеинтегральной по толще мерзлых грунтов температуры.

11. Более простая форма зависимости (11) имеет вид

                                                     (13)

где  - скорость осадки сваи;

θ(τ) - функция времени для среднеинтегральной по длине сваи температуры;

С₂ - новая укрупненная константа.

12. Укрупненные константы С₁ и С₂ производны от деформативных свойств и могут рассматриваться как обобщенные характеристики длительной прочности мерзлых грунтов в кинетических уравнениях первого и второго типа.

Приложение 2

ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ КИНЕТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

1. Для постоянных нагрузок и температур решение уравнения (12) может быть записано следующим образом

                                                   (14)

Отсюда для свай одного типоразмера, испытанных различными нагрузками, N₂ > N₁, следует

N₁²t₁^*λ = N₂²t₂^*λ,                                                           (15)

где t₁^*, t₂^* - время до разрушения, определяемое по материалам испытаний.

2. Если в процессе испытания производится последовательная откопка сваи или постепенное формирование чаши протаивания, т.е. поверхность смерзания меняется во времени, решая уравнения (12), переходим и другой формуле для уравнения первого типа

                                            (16)

где q - количество j-х интервалов длительностью Δt_j, сумма которых составляет полное время до разрушения;

N_j - пробная нагрузка на j-ом интервале испытания;

Uh_j - поверхность смерзания в j-ый период испытания;

 - функция температуры на j-ом интервале испытания.

3. Для постоянных нагрузок и температур решение уравнения (13) имеет вид

                                               (17)

где  - функция времени для скорости осадки свай на j-ой ступени нагрузок.

Приложение 3

КОНСТРУИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ

1. Интегральные функции J_j, ,  учитывают изменение во времени нагрузок P(τ), интенсивности касательных напряжений , температуры, высоты вмороженной части сваи и конструируются, исходя из общей формы кинетических уравнений первого и второго типа.

2. Интегральная функция J_j относится к кинетическим уравнениям 1 типа и для штампов составляется по формуле

                                                 (18)

где t_j-1, t_j - верхний и нижний пределы интегрирования, принимаемые по условию

t_j-1 - t_j = Δt_j,                                                                  (19)

где q - число j-ых участков длительностью Δt_j;

t_c - длительность строительного периода;

t_э - срок службы сооружения.

В зависимости от конкретных условий расчета фундаментов формула (18) может иметь пять модификаций, каждая из которых определяется сочетанием функций времени для нагрузок, интенсивности касательных напряжений и температуры грунта.

3. Интегральная функция J_j для расчета свай принимается по формуле

                            (20)

где U и h_j - периметр и высота вмороженной части сваи;

,  - интенсивность касательных напряжений и функция температуры грунта, учитывающая изменения их во времени и по глубине z ≤ h_j.

4. Нагрузку P(τ) в формулах (19 и 20) можно представить как удельное сопротивление по нижнему торцу сваи и по ее боковой поверхности

P(τ) = P₀(τ) + P_б(τ) ≡                                          (21)

где P₀ и P_б - удельное сопротивление мерзлых грунтов по нижнему торцу сваи площадью F и по боковой поверхности смерзания площадью Uh_j;

N_j - расчетная нагрузка.

Внося P₀ и P_б в (19 и 20), получим

J_j = J_j,0 + J_j,б,                                                                (22)

где J_j,0 : J_j,б определяются по формулам (19 и 20) с заменой P(τ) соответственно на P₀(τ) и P_б(τ).

Формула (22) позволяет расчеты свайных фундаментов производить с учетом изменения во времени соотношения между нагрузками, отнесенными к нижнему торцу и к боковой поверхности сваи. Дополнительное условие, учитывающее перераспределение нагрузок, следует из (22)

                                                    (23)

и характеризует связь между скоростями перераспределения нагрузок и размерами сваи.

5. Интегральные функции  и  относятся к уравнениям второго типа и для штампов диаметром D составляются по формулам

                                                           (24)

                                                                    (25)

где  и  - скорость осадок на j-ом участке эксплуатации сооружения и при нормативных сопротивлениях основания.

Верхние и нижние пределы интегрирования в формулах (24 и 25) принимаются по условию (19).

Формула (25) может иметь две дополнительные модификации в зависимости от сочетания функций времени для нагрузок и температуры грунта.

6. Для расчетов свайных фундаментов интегральная функция вычисляется по формуле

                                            (26)

где U и h_j периметр и высота вмороженной части сваи на j-ом участке эксплуатации сооружения;

P(τ,z), θ(τ,z) - нагрузка и температура с учетом изменения их во времени и по глубине z ≤ h_j.

Для функции  в (26) принимается P(τ,z) = P(z) и θ(τ,z) = θ(z).

Учет перераспределения нагрузок между нижним торцом и боковой поверхностью сваи производится по формулам (21 - 23).

7. Интенсивность касательных напряжений , скорость осадок  и  должны удовлетворять в статических задачах условию равновесия, а в динамических - условию движения системы «штамп-основание» или «свая-основание».

Расчеты рекомендуется выполнять с помощью ЭВМ.

 

СОДЕРЖАНИЕ