Введение. Интенсивное развитие методов строительства в условиях вечной мерзлоты с двадцатого века позволило существенно расширить экономическую деятельность, а также способствовало активному росту строительства городов в северной части России. Здесь созданы такие крупные городские промышленные комплексы, как Якутский, Воркутинский, Норильский и Магаданский. В связи с тем, что большое количество ресурсов нашей страны залегают в недрах северных регионов, нельзя оспорить актуальность строительного освоения территорий, расположенных в УВМ. Однако повышение плотности застройки, в свою очередь, приводит к изменению свойств оснований самих сооружений и негативно сказывается на их устойчивости. Также в исследованиях российских мерзлотоведов конца ХХ–начала ХХI в. особое внимание уделялось влиянию потепления климата на прочность и устойчивость мерзлых оснований [1–5].

Дальнейшее освоение территории, расположенной на мерзлых грунтах, а также поддержание функционирования уже имеющейся инженерной инфраструктуры требуют углубленного изучения закономерностей взаимодействия возводимых зданий с мерзлым основанием. В связи с возрастанием темпов освоения регионов в УВМ вопросы повышения устойчивости, надежности и долговечности сооружений, возводимых в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, приобретают большое практическое значение.

Для оптимизации подходов к проектированию зданий и сооружений в северных широтах первостепенной задачей является изучение влияния отдельных процессов на строительство, определение мерзлотно-гидрогеологических особенностей грунта с целью и выявление наиболее оптимальных путей решения проблемы возведения зданий в сложных инженерно-геологических условиях. При разработке обоснования проектных решений возведения зданий в условиях холодных регионов целесообразно выполнять предпроектные и технологические проработки вариантов устройства фундаментов с достаточным запасом и учетом всех негативных процессов, возникающих в многолетнемерзлых грунтах [1].

Необходимость выполнения совместных расчетов особенно важна для современного уровня развития строительной науки, при котором благодаря внедрению современных методов расчетов и новейших материалов была достигнута возможность проектирования строительных конструкций с минимальными запасами прочности. В таких условиях незначительное увеличение напряжений за счет совместной работы здания и основания может приводить к появлению трещин и снижению общей надежности конструкции [6–9].

Для учета совместной работы надфундаментных конструкций и фундаментов на деформируемом основании необходимо создать объективный и надежный математический аппарат исследования элементов, учитывающий совместно изменяющееся во времени напряженно-деформированное состояние элементов каркаса. Данное обстоятельство способствует более пристальному вниманию к применяемым технологиям и материалам  с учетом максимального использования инновационных разработок.

Целью исследования является определение особенностей строительства зданий в условиях вечной мерзлоты, изучение влияния фундаментов и грунтов в УВМ на напряженно-деформированное состояние надземной части здания. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1) выполнить анализ результатов исследований научных публикаций по данной теме; 2) проанализировать влияние взаимодействия грунтов и фундамента в условиях вечной мерзлоты на НДС каркаса здания; 3) разработать компьютерную модель для выполнения исследований взаимодействия системы "основание-фундамент-сооружение" в средних широтах и районах вечной мерзлоты; 4) исследовать на расчетной модели механизмы взаимодействия системы, оценить параметры НДС.

Объект исследования представляет собой взаимодействие под нагрузкой надземной части, в виде каркаса здания, с фундаментной конструкцией и грунтами основания в УВМ и при ее отсутствии. Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние элементов каркаса.

Материалы и методы. Основными методами исследования стали комплексный подход к изучению текстового, иллюстративного материала в отечественных и зарубежных строительных изданиях, позволивший выявить тенденции проектирования, а также ряд сравнительных характеристик. В качества материалов для исследования используются нормативно-правовые источники, доклады, статьи, книги и методические рекомендации. Применяемый теоретический метод исследования, опирается на комплексный подход. Он включает в себя изучение работ по исследованию вопросов разработки оптимальных конструктивных решений зданий на мерзлых грунтах и их применение на практике; анализ существующей нормативно-правовой документации и конкретных примеров реализации конструктивно-технических требований на территории субъектов Российской Федерации, расположенных в УВМ. Все это позволило выявить предпосылки основных правил строительства зданий на вечной мерзлоте, определить проблематику и сформировать план для  дальнейшего исследования с помощью численного моделирования в программных комплексах ЛИРА-САПР, САПФИР.

Основная часть. Весомый вклад в исследования строительства в условиях вечной мерзлоты внес коллектив научно-исследовательского, проектно-изыскательского и конструкторско-технологического института оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова – институт ОАО «НИЦ «Строительство». Институтом были разработаны теория и методы расчета оснований и фундаментов по первому и второму принципу на вечномерзлых грунтах, обоснованы методы устойчивого строительства на этих грунтах и принципы использования их в качестве оснований зданий и сооружений.

Первоначальный опыт строительства на вечной мерзлоте показал, что богатая льдом вечная мерзлота неспособна поддерживать теплогенерирующие сооружения, построенные с использованием стандартных инженерных методов. Сооружения, возведенные в период 1935–1937 годов, получили деформации, вызванные неравномерной осадкой тающих ледяных отложений всего через несколько лет после строительства. В результате правила строительства на вечной мерзлоте, изданные в 1939 году, прямо запрещали строительство из несъемного бетона и кирпичные сооружения на замерзших отложениях с любым обнаруживаемым количеством грунтового льда. Под строительство промышленных объектов искали только скальные основания, но их было мало (рис. 1) [1].

Строительство полностью функционирующих северных городов началось в конце 1940-х годов. Согласно этим планам, города должны были включать 3–5-этажные кирпичные здания в неоклассическом стиле, расположенные в 7–10 прямоугольных городских кварталах, каждый площадью от 1,5 до 4 гектаров. Строительные работы включали ручную выемку замерзшего осадочного материала и возведение типичных отапливаемых подвалов на скальной породе. В районах с толстым осадочным слоем (>10 м) фундаменты не были сплошными, а состояли из нескольких бетонных опор 2×2 м, закрепленных на скальной породе и служащих основанием для горизонтальных балок, поддерживающих здания [2].

Несмотря на прочный скальный фундамент, проблемы, связанные с вечной мерзлотой, возникли сразу после строительства. Осадки образовывались вокруг отапливаемых подвалов и способствовали накоплению воды, вызывая регулярное затопление подвалов. В качестве меры по смягчению последствий пришлось переоборудовать сложную дренажную систему вокруг каждого здания.

Рис. 1. Строительство Норильского медно-никелевого комбината

[Источник: https://kislorod.life/question_answer/kak_v_norilske_nauchilis_stroit_na_merzlote/]

На основе этого первоначального опыта были разработаны три руководящих принципа городского планирования на вечной мерзлоте [2]:

1. Чтобы свести к минимуму негативные последствия таяния вечной мерзлоты, все инженерные коммуникации должны быть размещены в одном подземном коллекторе, проходящем по центру улиц на расстоянии не менее 10–12 м от зданий.
2. Чтобы свести к минимуму плотность инженерных сетей, здания должны быть как можно больше и иметь свободный доступ к улицам с коммунальными службами.
3. Использование неотапливаемых, вентилируемых подвалов предпочтительнее для всех зданий.

В 1956 году Владимир Ким предложил более эффективный метод строительства на вечной мерзлоте. Этот фундамент состоял из нескольких рядов железобетонных свай, вмерзших в вечную мерзлоту, и набора бетонных балок (ростверков), уложенных поверх фундаментных свай на высоте 1,2–1,8 м над землей (рис. 2). Подъема ростверка эффективно обеспечивал свободную вентиляцию для отвода тепла, выделяемого конструкцией, от земли, подверженной вечной мерзлоте [3].

Рис. 2. Дом с конструкцией свайного фундамента с высоким ростверком в г. Якутске

[Источник: https://ardexpert.ru/article/5072]

С 1959 года свайный фундамент стал доминирующим методом строительства на вечной мерзлоте. Этот метод строительства был в три раза быстрее, требовал в 6-10 раз меньше рабочей силы и был вдвое дешевле фундаментов типа "столб на подушке " и "столбы на скальной породе", которые ранее использовались. Это способствовало ускорению темпов развития северных городов. В период 1960–1990 годов ежегодно возводилось примерно 18–20 новых жилых зданий. Первоначально большинство сооружений состояли из пятиэтажных бетонных панельных зданий, позже высота зданий увеличилась до 9-12 этажей (рис. 3) [4].

При проектировании и строительстве зданий в условиях вечной мерзлоты следует придерживаться основных принципов их возведения [5–9]:

1. Несущие и ограждающие строительные конструкции выполняются, как правило, с максимальной степенью сборности и тенденцией к применению легких транспортабельных и быстро возводимых изделий и деталей.
2. Особое внимание уделяется теплозащитным свойствам наружных ограждающих конструкций остовов зданий. Утепленные наружные ограждающие конструкции стен, заполнение дверных и оконных проемов изготавливаются воздухонепроницаемыми. Конструкции окон и дверей применяются с обязательным утеплением притворов. В соответствии с теплотехническими расчетами в районах Крайнего Севера применяется тройное остекление в оконных и витражных блоках.

Рис. 3. Пятиэтажные и девятиэтажные жилые здания из бетонных панелей в г. Норильске

[Источник: https://kurl.ru/dNeiD]

3. Геометрия крыш зданий выбирается несложной формы и простого профиля, что исключает образование больших снеговых отложений «снеговых мешков». Наружные боковые поверхности фасадов зданий выполняют плоской или криволинейной формы, без усложнений задерживающих снег.
4. В районах с наиболее суровым климатом продолжительного зимнего периода, современными нормативными источниками не допускается устройство лоджий и балконов (рис. 4). При проектировании входных групп гражданских и общественных зданий предусматриваются двойные тамбуры.

Рис. 4. Дома без балконов в г. Норильске

[Источник: https://masterok.livejournal.com/6892492.html]

5. В приоритете проектные решения, в которых при максимальном сохранении функционального назначения и основных технологических процессов здания или сооружения, обеспечивается минимальная боковая поверхность, контактирующая с морозным воздухом. При проектировании предпочтение отдается простым в плане и по высоте геометрическим формам контуров зданий.
6. В зданиях с жесткой конструктивной схемой устраивают поэтажные железобетонные, или армокирпичные пояса, связанные с перекрытиями. Кроме того, продольные и поперечные стены рекомендуется располагать симметрично относительно главных осей здания, не допуская излома стен в плане и ослабления их нишами и каналами. Поперечные несущие стены или рамы располагают на расстоянии не более 12 м друг от друга. Проемы в стенах принимают одинаковых размеров и размещают их равномерно.
7. Для зданий с податливой конструктивной схемой применяют разрезные конструкции с минимально допускаемыми жесткостями на изгиб и сдвиг в вертикальной плоскости. Многоэтажные и одноэтажные здания с пролетами до 12 м, как правило, проектируют по жесткой конструктивной схеме, а одноэтажные с пролетами более 12 м – по податливой схеме.

Что касается проектирования оснований и фундаментов зданий, возводимых в условиях вечной мерзлоты, работа выполняется на основе результатов специальных инженерно-геологических изысканий, которые включают специальные геокриологические и гидрогеологические изыскания. Они учитывают конструктивные и технологические особенности проектируемых сооружений, их тепловое и механическое взаимодействие с многолетнемерзлыми грунтами оснований и возможные изменения геокриологических условий в результате строительства и эксплуатации [10–16].

Использование вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий базируется на двух принципах. Первый принцип заключается в сохранении мерзлого состояния грунта. Его целью является сохранение первоначального состояния основания не только во время строительства, но и на протяжении всей эксплуатации здания. Для этого предпочтительно применять свайный или столбчатый фундамент, при условии, что верхний слой грунта не изменит своих свойств под воздействием тепла от здания. Для этого подполье делают холодным и вентилируемым. Предусматривают продухи в забивке или цокольной части дома. Такая система позволяет осуществлять естественную вентиляцию и поддерживать оптимальные условия в подполье, что в свою очередь обеспечивает сохранение грунта в мерзлом состоянии (рис. 5). Также возможен вариант выполнения сплошного слоя теплоизоляции с высокими изоляционными свойствами под всей площадью здания [17–20].

Рис. 5. Проветриваемое подполье в жилом доме

[Источник: https://dzen.ru/a/ZF-4jF4IjXaBqpV7]

Второй принцип допускает последующее оттаивание грунта. Этот метод применяется не так часто. Необходимо убедиться, что грунт на строительной площадке не обладает высокими пучинистыми и просадочными свойствами, в виду чего в процессе изменения температуры могут произойти значительные деформации. Грунт предварительно оттаивают перед установкой фундамента, либо проводят все необходимые расчеты и допускают, что основание сможет оттаивать во время использования постройки [21–23].

При строительстве на вечномерзлом грунте, определение правильной глубины заложения фундаментов играет важную роль. Для различных типов фундамента это значение отличается [24]:

• при использовании свайных фундаментов, глубина заложения должна быть на два метра больше, чем толщина слоя грунта, который подвергается сезонным оттаиваниям и промерзаниям. Расчет основывается на предположении, что вечномерзлый грунт обеспечит требуемое значение сопротивления на сжатие.

• для всех остальных типов фундаментов, глубина заложения должна быть больше на один метр, чем толщина сезонно оттаивающего слоя грунта.

• при возведении здания на насыпном грунте с определенными характеристиками, значение глубины закладки подошвы не нормируется и определяется исходя из условий строительства.

Основным типом фундаментов для вечномерзлых грунтов являются висячие сваи, обеспечивающие несущую способность за счет смерзания боковой поверхности с грунтом и опирания острия сваи. Анализ литературы показал, что необходимо стремиться к созданию буроопускных свай с неровной боковой поверхностью, так как именно эта конфигурация позволяет существенно увеличить несущую способность грунтов основания. Грунт под рёбрами таких свай работает на сжатие, что намного эффективнее, чем работа грунта на сдвиг по поверхности смерзания с материалом обычной буроопускной сваи [25–30].

Однако бывают случаи, когда целесообразнее всего применить другой тип фундаментов. Например, когда здание возводится на подсыпке, на площадках с неглубоким залеганием кровли разрушенных скальных пород применяются сборные столбчатые фундаменты.

Ленточные фундаменты применяют в том случае, когда их подошвы проектируются в пределах насыпи из непучинистых грунтов. В районах Крайнего Севера Российской Федерации наибольшее распространение получили ленточные фундаменты на песчаных подсыпках с применением теплоизоляционных материалов. Это позволяет снизить затраты труда и денежных средств, более равномерно воспринимать деформации.

Известно также применение поверхностных вентилируемых пространственных фундаментов – оболочек. Они обладают рядом преимуществ, среди которых: совместимость функции несущей и охлаждающей грунт конструкции; возведение фундаментов без нарушения мерзлотно-грунтовых условий на строительных площадках. Это значительно упрощает процесс строительства, позволяя сэкономить время и ресурсы. Такой подход является эффективным решением для различных строительных объектов и помогает ликвидировать временной технологический разрыв, который необходим при устройстве свай, что обеспечивает более эффективную организацию работ [31–37].

Разработка эффективных фундаментов в виде вентилируемых оболочек для строительства на вечномерзлых грунтах была проведена под руководством Гончарова Ю.М. Так в конце 1980-х годов в городе Игарка Красноярского края для строительства теплого гаража-стоянки транспортного предприятия, была разработана инновационная конструкция - пространственный вентилируемый сборно-монолитный фундамент-оболочка в сочетании с вентиляционными каналами (рис. 6). Главной целью данного проекта было снижение или полное исключение сезонного оттаивания подстилающих мерзлых грунтов основания [38].

Рис. 6. Часть строящегося здания АБК на поверхностном фундаменте-оболочке в г. Норильск

[Источник: https://kurl.ru/yQdKX]

Вопросам совершенствования теоретических моделей взаимодействия фундамента с грунтовым основанием, выбора наиболее адекватных расчетных методов оценки осадок фундаментов, экспериментального исследования деформативности грунтов посвящено большое количество исследований. Для того, чтобы появилась возможность учитывать деформацию оснований как можно точнее, необходимо оценить их влияние на НДС зданий. Не редко труднодоступность района строительства обусловлена сложностью грунтовых условий относящихся к ряду «неудобных», как вечномерзлые грунты. С этих позиций, становится весьма актуальным проблема учета влияния неравномерных деформаций основания на напряженно-деформированное состояние (НДС) верхнего строения, а именно, на работу пространственных конструкций [39–43].

При определении напряженно-деформированного состояния (НДС), с одной стороны, встает вопрос об учете ярко выраженных реологических свойств мерзлых грунтов, так как при действии внешней нагрузки в мерзлых грунтах всегда возникают необратимые перестройки структуры, вызывающие релаксацию напряжений и деформацию ползучести даже при очень небольших нагрузках, то есть изменение прочностных и деформационных свойств мерзлых грунтов во времени. С другой стороны, в настоящее время не существует единой общепринятой теории, которая позволяла бы определить НДС грунтовой среды с учетом всех свойств конкретного грунта, поэтому в инженерных расчетах используется главным образом теория линейно-деформированной сплошной среды. Так как пересчет НДС планируется производить каждый месяц выбранного интервала прогноза (каждый месяц), и параметры среды будут меняться, то учет реологических свойств грунтов в небольшом интервале времени можно не учитывать в виду малости значений этих изменений.

Все основания и фундаменты (также в условиях вечной мерзлоты) следует рассчитывать на силовые воздействия по двум группам предельных состояний: по первой — по несущей способности и второй — по деформациям (осадкам, прогибам и пр.), затрудняющим нормальную эксплуатацию конструкций и оснований или снижающим их долговечность, а элементы железобетонных конструкций — и по трещиностойкости.

К первой группе предельных состояний основания относятся:

• потеря формы и положения;
• хрупкое или вязкое разрушение;
• разрушение под совместным действием силовых факторов и не­
• благоприятных факторов внешней среды;
• резонансные колебания;
• чрезмерное развитие пластических деформаций.

Ко второй группе предельных состояний относятся:

• состояния основания, затрудняющие нормальную эксплуатацию здания или сооружения;
• состояния основания, снижающие долговечность здания или со­оружения вследствие появления недопустимых перемещений (осадок, прогибов, углов поворота).

Однако при расчете фундаментов в мерзлых грунтах следует учитывать действие дополнительных факторов, преобладающих в УВМ. Так при проектировании оснований и фундаментов зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, должны вы­полняться статические и теплотехнические расчеты. При этих рас­четах следует учитывать принятый в проекте принцип использова­ния вечномерзлых грунтов в качестве основания и взаимное теп­ловое и механическое воздействия здания (сооружения) и осно­вания.

Целью статического расчета является обеспечение прочнос­ти и устойчивости, а также эксплуатационной надежности здания или сооружения. Целью теплотехнического расчета является определение необходимого теплового режима грунтов основания в зависимости от принятого принципа использования этих грунтов и установление мероприятий, обеспечивающих соблюдение этого режима.

Таким образом, при расчете по предельным состояниям несущая способность основания и его ожидаемые деформации должны устанавливаться с учетом их температурного режима, а при принципе I – также и с учетом продолжительности действия нагрузок и реологических свойств грунтов, то есть изменения их свойств во времени.

Учет температурного режима основания осуществляется теплотехническим расчетом. При использовании грунтов основа­ния по принципу I в результате таких расчетов определяется температура мерзлых грунтов, в зависимости от которой назначаются расчетные, прочностные и деформационные характеристики грунтов.

При использовании вечномерзлых грунтов по принципу I расчет оснований должен производиться:

• по несущей способности – для твердомерзлых грунтов;
• по несущей способности и по деформациям – для пластично­ мерзлых и сильнольдистых грунтов, а также подземных льдов.

Твердомерзлые грунты являются малосжимаемыми, и у них деформации объемного сжатия и деформации сдвиговой ползучести при напряжениях, не превышающих расчетные сопротивления, будут, как правило, незначительны.

Поэтому при нагрузках, меньших расчетных сопротивлений, осадки оснований, сло­женных твердомерзлыми грунтами, как правило, не превысят пре­дельно допускаемых значений. Соответственно расчет таких основа­ний по второй группе предельных состояний можно не производить, ограничившись расчетом только по прочности (по несущей способ­ности).

Пластично-мерзлые или сильнольдистые грунты, а также подзем­ные льды обладают сильно выраженными вязкими свойствами и способны развивать большие деформации ползучести (включая де­формации незатухающей ползучести). Кроме того, пластично-мерзлые или сильнольдистые грунты, а также подземные льды являются сжи­маемыми и способны давать ощутимые осадки уплотнения. Поэтому основания, сложенные пластично-мерзлыми или сильнольдистыми грунтами, а также подземными льдами, рассчитываются по двум группам предельных состояний – по несущей способности и по де­формациям.

Предельно длительное сопротивление мерзлых грунтов (кроме сильнольдистых и льда) рассматривается как нормативное сопротив­ление R _∞ = R ^H.

Характерной особенностью мерзлых грунтов в силу своей криогенной текстуры является то, что даже при отрицательной температуре их механические свойства существенно зависят не только от гранулометрического состава и влажности, но и от их температуры. При оттаивании мерзлых грунтов происходит качественный скачок в их механическом поведении. Они дают значительную просадку в основаниях сооружений и приводят к потере устойчивости склонов и откосов, сложенных вечномерзлыми грунтами. Это обусловлено ослаблением цементирующих свойств замерзшей воды между частицами, что приводит к потере структуры и к большим объемным и сдвиговым деформациям.

По внешнему виду компрессионные кривые оттаивающих грунтов совпадают с компрессионными кривыми просадочных грунтов. Поэтому для описания механических свойств во многом можно воспользоваться аналогичными принципами построения механической модели оттаивающего грунта. Вместе с тем, очевидно, что процесс оттаивания мерзлых грунтов существенно отличается от процесса замачивания просадочных грунтов. Все эти особенности следует учитывать при прогнозировании НДС мерзлых и оттаивающих грунтов.

При оттаивании мерзлые и вечномерзлые грунты теряют свою прочность при сдвиге и претерпевают значительные объемные деформации из-за отжатая избыточной поровой воды, образовавшейся при оттаивании льда в межчастичном пространстве. Вследствие оттаивания мерзлого основания сооружения могут испытывать значительные и неравномерные осадки, а порой и терять свою устойчивость. Драчков Д.С. в своей работе «Особенности строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах» представил характерные зависимости ε-σ при компрессионном сжатии и τ-σ при плоском срезе мерзлого и оттаявшего грунтов (рис. 7).

Рис. 7.  А) зависимости ε-σ; б) τ-σ; в) ε_th-p мерзлого грунта до (1) и после (2) оттаивания

Из приведенных графиков следует, что относительная деформация оттаивающего грунта ε_th равна:

ε_th =( h_f – h_th)/ h_f = A_th + δ·р,

где h_f и h_th – высота образца в мерзлом и талом состояниях соответственно, в условиях компрессионного сжатия, A_th и δ=tgα соответственно коэффициент оттаивания и сжимаемости.

Следовательно, осадка оттаявшего грунта состоит из осадки оттаивания, не зависящей от нагрузки и характеризуемой коэффициентами A_th и осадки уплотнения, развивающейся пропорционально приложенной нагрузке и характеризуемой коэффициентами δ.

При прогнозировании НДС оттаивающих оснований сооружений не следует все сводить к проблеме прогноза осадок оснований, обусловленных одномерным уплотнением. Наряду с этим в оттаивающем массиве грунтов под воздействием местной нагрузки развиваются значительные сдвиговые деформации, которые также приводят к просадкам. Карлов В.Д. в своей работе представил механизм изменения НДС мерзлого грунта при оттаивании в условиях сложного НДС следующим образом (рис. 8).

Рис. 8. К механизму изменения НДС мерзлого грунта при его оттаивании в условиях трехосного НДС
при приращении температуры на Δθ в условиях свободной и фиксированной деформаций сдвига и объема:

1,2 –кривые зависимости τ-γ, ε_v-σ_v и τ-σ в мерзлом и талом состояниях грунта соответственно

Предположим, что образец в мерзлом и оттаявшем состояниях в условиях трехосного сжатия подвергся нагружению по траектории OABC и OAB соответственно. Тогда получим кривые γ-τ и ε_v-σ_v соответственно для мерзлого и оттаявшего состояний.

Если в точке А при гидростатическом обжатии увеличить температуру до t>0°C, то получим дополнительную объемную деформацию Ae_y = AA1. Если же в точке А на кривой 1 зафиксировать объемные деформации и увеличить температуру, то получим отрицательное приращение сжимающих напряжений Δσ_v = AA2. Если в точке В при девиаторном нагружении по кривой 1 фиксировать напряжения и оттаивать грунт, то получим дополнительные сдвиговую Δγ = BB1 и объемную Δε_v = AA1 деформации. Если же в точке В по кривой 1 зафиксировать деформации и оттаивать грунт, то получим снижение касательных At = BB1 и нормальных Δσ_v = AA2 напряжений).

Из приведенного здесь анализа НДС мерзлого грунта, при переходе его в талое состояние грунта, видно, что в отличных от условий компрессионного сжатия условиях трехосного НДС процесс деформирования протекает сложнее. Наряду с объемными деформациями при оттаивании мерзлого грунта развиваются значительные сдвиговые деформации, которые могут являться основной причиной больших и неравномерных осадок оснований сооружений. Поэтому при изучении механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов следует в обязательном порядке провести испытания на сдвиг и на срез мерзлых грунтов в оттаявшем состоянии.

Известно, что общая осадка на оттаивающем основании складывается из осадки S_p, обусловленной дополнительным давлением на грунты основания от фундамента, и осадки вызванной действием собственного веса S_lh, то есть

S= S_p + S_lh.

В настоящее время существует три основных метода расчета осадок фундаментов: метод линейно деформируемого слоя (метод проф. К.Е. Егорова), метод послойного суммирования и метод одномерного компрессионного сжатия (частный случай метода эквивалентного слоя проф. Н.А. Цытовича). Все вышеназванные методы расчета осадок основаны на линейной зависимости деформаций от напряжений. Принципиальные отличия этих методов расчета заключаются в учете природных напряжений грунтов от собственного веса, способе определения сжимаемой толщи грунтов и определении распределения напряжений по глубине от внешнего давления. В практике проектирования оснований и фундаментов наиболее распространенным и авторитетным считается метод послойного суммирования.

Осадка при оттаивании мерзлых грунтов очень важный показатель, который необходим при расчетах оснований и фундаментов по второму предельному состоянию (по деформациям). Особенно это необходимо, если рекомендуется вести строительство с оттаиванием многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений.

Для расчета величины относительного сжатия вечномерзлого грунта необходимо иметь такие показатели как коэффициент оттаивания А_th и коэффициент сжимаемости или уплотнения оттаивающего грунта δ_i.

Коэффициенты А_th и δ_i, характеризующие сжимаемость оттаивающего грунта, могут быть определены горячими штампами в полевых условиях или методом компрессионных испытаний в лабораторных условиях. Допускается определять осадку при оттаивании расчетным методом.

Для определения первой и второй частей осадок используется традиционный метод элементарного послойного суммирования:

S=i=1nAth,i+δi(σzp,i+σzg,i)hi ,

где A_th,i, δ – соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости i-ого слоя; σ_zp,i и σ_zg,i – вертикальные напряжения от действия внешней нагрузки и собственного веса соответственно.

При таком подходе к расчету осадки оттаивающего основания учитывается только один компонент напряжений σ_z и не учитывается возможность бокового расширения. Однако, очевидно, что осадка (просадка) оттаивающего грунта может произойти не столько из-за одномерного уплотнения, сколько сдвиговыми деформациями слабого водонасыщенного грунта, каким является мерзлый грунт сразу после оттаивания.

Поэтому наряду с традиционными методами определения осадок оттаивающего основания, основанного на компрессионных испытаниях, целесообразно использовать более прогрессивные методы, учитывающие свойства грунтов при уплотнении:

S=i=1nAth,i+τxz,i2Gi+σiKihi ,

где τ_xz,i = σ_zp,i = σ_i, σ_i = (σ_xp,i + σ_yp,i + σ_zp,i)/3, G_i и K_i – модули деформаций i-ого слоя оттаивающего грунта, которые на порядок меньше модулей деформации того же грунта в мерзлом состоянии.

Приведенные выше выражения определяют только лишь стабилизированную осадку, что необходимо для принятия конструктивных решений по проектированию зданий и сооружений, возводимых на мерзлых и оттаивающих основаниях (рис. 9). 

Рис. 9. Расчетная схема для определения НДС
основания от действия местной нагрузки в процессе оттаивания

Нагрузки и воздействия на основания, передаваемые фун­даментами зданий и сооружений или их отдельных элементов, ус­танавливаются в соответствии с СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».  В дополнение к указаниям нагрузки на основания допускается определять без учета их перераспределения надфундаментной конструкцией и принимать в соответствии со статической схемой здания или сооружения при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по принципу I, если эти грунты находятся в твердомерзлом состоя­нии.

Нагрузки, передаваемые на грунты основания, используемые по принципу II, определяются, как правило, расчетом из условия совместной работы здания (сооружения) и основания или фунда­мента и основания.

Твердомерзлые грунты (кроме сильнольдистых) рассматри­ваются как малосжимаемые, и потому при использовании основания по принципу I определение нагрузок производится без учета жест­кости конструкций здания или сооружения.

Нагрузки на основания, которые рассчитываются по деформациям, как правило, определяются с учетом их перераспределения конструкциями здания (сооружения). Совместная работа здания (сооружения) и основания может не учитывать­ся, когда ожидаемые деформации от нагрузок, определенных без учета жесткости конструкций, не превосходят предельные значения.

При учете совместной работы здания (сооружения) и ос­нования или фундамента и основания, используемого по принципу II с допущением оттаивания грунтов в процессе эксплуатации, воз­действие неравномерных деформаций основания, вызванных оттаива­нием вечномерзлых грунтов, рассматривается как длительно действу­ющее. При расчете конструкций здания (сооружения) по 1-й группе предельных состояний усилия в них от этого воздействия рассчитываются с коэффициентом перегрузки n=1.

Моделирование НДС конструкций здания вследствие неравномерных деформаций основания, возникающих в процессе просадки и деградации мерзлоты, позволит решить актуальную задачу по оценке несущей способности и прогнозированию дальнейшей эксплуатационной пригодности. Для выполнения исследования взаимодействия системы «основание – фундамент – здание» планируется выполнить компьютерное моделирование в программе САПФИР. В качестве моделируемого объекта будет каркасное здание с традиционными конструктивными решениями, жесткость которого обеспечивается за счет соединения монолитного перекрытия с колоннами (рис. 10, 11). Расчет модели будет производиться в ЛИРА-САПР.

      Рис. 10. Предлагаемая модель здания (общий вид)                                Рис. 11. Схема плана здания