Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Метод расчета малозагубленных фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Метод расчета малозагубленных фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания"

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РАН ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ ИМ. АКАДЕМИКА П.И. МЕЛЬНИКОВА

МУСОРИН Александр Владимирович

МЕТОД РАСЧЕТА МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ

04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ргб од

2 2 СЕН 1998

На правах рукописи

Якутск 1998

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте мерзлотоведения им. академика П.И. Мельникова.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.О. Орлов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.Ю. Изаксон, кандидат технических наук Г.П. Кузьмин

Ведущая организация - Читинский государственный технический университет

Защита состоится « 14 » октября 1998 г. в 14 часов на заседании Специализированного совета Д.003.48.01 по мерзлотоведению при Институте мерзлотоведения СО РАН по адресу: 677018, г. Якутск, Институт мерзлотоведения, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института мерзлотоведения СО РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, присылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю Специализированного совета.

Автореферат разослан « /» РР 1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат географических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из проблем, возникающих при строительстве зданий и сооружений, является морозное пучение грунтов. Наиболее актуальна эта проблема для объектов с небольшими нагрузками на подошву фундамента, порядка 80...200 кПа, обуславливающих высокую чувствительность их к воздействию сил морозного пучения.

Перспективным методом строительства легких зданий и сооружений является возведение их на незаглубленных и малозаглубленных фундаментах. Возведение зданий на таких фундаментах позволит значительно снизить материальные и трудовые затраты, по сравнению с традиционным решением (заложение фундаментов ниже границы сезонного промерзания). В то же время вопросы взаимодействия малозаглубленных фундаментов с промерзающим пучинистым грунтом, с учетом совместного действия касательных и нормальных сил и в условиях глубокого сезонного промерзания, характерного для Забайкалья, являются слабоизученными.

Другим, часто используемым типом фундаментов в Забайкалье являются свайные фундаменты. Нередки случаи, когда забитые сваи остаются ненагруженными в период промерзания грунта. В этом случае их также следует отнести к категории легких фундаментов.

Изученность проблемы. Основными характеристиками морозного пучения являются величина пучения (/¡у), равная подъему дневной поверхности за период промерзания и интенсивность пучения (/), характеризующая пучение элементарного слоя. Морозное пучение фунтов - это сложное физико-химическое явление, зависящее как от свойств самого грунта, так и от климатических факторов, оказывающих на него внешнее воздействие. К числу факторов, влияющих на пучини-стость грунта, относятся: дисперсность, минералогический состав, плотность, влажность, уровень грунтовых вод и количество жидких атмосферных осадков, а также температурные воздействия и давление, передаваемое на промерзающий грунт. Воздействие всех этих факторов тесно связано, что обуславливает большие трудности, возникающие при расчете характеристик (деформаций и сил) морозного пучения грунтов, при их комплексном учете.

Гогентоглер Ч.А., Киселев М.Ф., Орлов В.О. разработали критерии морозоопасности грунтовых систем, исходя из содержания пылева-

то-глинистых фракций. Причины миграции влаги объясняли Ана-нян A.A., Бесков Г., Ершов Э.Д., Тебер С., Тютюнов И.А., Фельдман Г.М., Чистотинов JI.B., Штукенберг В.О.

Количество мигрирующей влаги и величина пучения пропорциональны температуре охлаждающей среды или градиенту температуры грунта в период промерзания (grad Г). Интенсивность пучения по-"нижается-по-мере-отклонения^га^ Г в туили иную сторону. Для пыле-ватых грунтов с влажностью 25.. .30%1фитическое~значение-градиента— равно 0,15...0,3 град/см.

При взаимодействии фундаментов с промерзающим пучинистым грунтом формируются силы пучения, которые принято разделять на нормальные и касательные. Изучением сил пучения в полевых и лабораторных условиях занимались ученые: Быков Н.И., Далматов Б.И., Дубнов Ю.Д., Елгин Б.Б., Ивин И.А., Киселев М.Ф., Морарескул H.H., Орлов В.О., Пусков В.И., Толкачев H.A., Туренко Н.И., Харлаб В.Д., Цы-тович Н.А, Швец В.В. и др. Теоретические расчеты нормальной силы морозного пучения делали Зарецкий Ю.К., Киселев М.Ф., Перетрухин H.A., Пусков В.И.

Для того чтобы полностью исключить выпучивание фундаментов под действием нормальных сил, их следует закладывать ниже границы сезонного промерзания. Однако такое решение проблемы, особенно для легких зданий и сооружений, является экономически нецелесообразным. Кроме роста материалоемкости фундамента, с увеличением глубины заложения будут расти и касательные силы пучения, для снижения которых необходимо проводить противопучинные мероприятия.

Более экономичным решением для легких зданий и сооружений будет заложение фундаментов в слое сезонного промерзания, допуская такие перемещения фундамента под действием нормальных сил, которые не нарушают нормальной эксплуатации строительных объектов.

В связи с тем, что нормальные силы морозного пучения могут достигать значительных величин (до 10 МПа) и не могут быть полностью компенсированы давлением от малонагруженного фундамента, возникает необходимость количественной оценки величины пучения фундаментов.

Существуют три способа оценки деформаций пучения грунтов: 1) полевой, применяющийся непосредственно на экспериментальной площадке с помощью инструментальных наблюдений за положением поверхностных и глубинных марок; 2) лабораторный, используемый

преимущественно для испытания образцов нарушенных грунтов, замораживаемых в холодильных камерах; 3) расчетный, использующий аналитические решения задачи о миграции влаги и пучении грунтов на основе исходной информации о литологических, климатических и других параметрах района и участка обследования.

Для снижения влияния касательных и нормальных сил пучения на фундаменты и уменьшения деформаций выпучивания до необходимых пределов в условиях глубокого сезонного промерзания необходимо проводить противопучинные мероприятия. В обзоре проведен анализ существующих противопучинных мероприятий и выделены наиболее эффективные, применительно к малозаглубленным и свайным фундаментам. Против нормальных сил пучения для проверки эффективности в условиях глубокого сезонного промерзания приняты врезные песчаные подушки. Против касательных сил пучения в качестве противопучинных мероприятий принят метод «блочной локализации», разработанный Филипповым В.Д., и физико-химическая обработка грунта.

Целью работы является выбор эффективных противопучинных мероприятий и совершенствование методики расчета фундаментов. Нами приняты для рассмотрения следующие противопучинные мероприятия: 1) метод блочной локализации против касательных сил морозного пучения; 2) устройство врезных песчаных подушек, направленное на снижение воздействия нормальных сил морозного пучения; 3) внесение в грунт добавок для снижения его пучинистых свойств.

Достижение поставленной цели сводится к решению следующих

задач:

1) подбор оптимальных размеров врезных песчаных подушек в условиях глубокого сезонного промерзания и близкого расположения грунтовых вод;

2) оценка влияния противопучинного экрана, устраиваемого около фундамента (метод блочной локализации), на величину его выпучивания;

3) подбор физико-химических добавок для обработки фунта обратной засыпки малозаглубленных и свайных (при устройстве лидерных скважин) фундаментов;

4) разработка метода расчета деформаций малозаглубленных фундаментов с учетом региональных особенностей Забайкалья.

Научная новизна заключается в следующем:

1) разработан метод расчета малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах, включающий применение модели двухслойного основания и криволинейного характера зависимости величины пучения от нагрузки;

2) произведена экспериментальная проверка работы малозаглуб--пекнкгу-фунпямрнтяк-ня.вррчиыу песчяныу ппдущках В УСЛОВИЯХ глубокого сезонного промерзания;

3) разработан лабораторный метод определения внутренних сил смерзания песчаного грунта как аналога сопротивления смещению мерзлого грунта относительно граней фундамента;

4) проведено исследование деформаций выпучивания фундаментов касательными силами с учетом влияния противопучинного экрана;

5) усовершенствована методика определения сил морозного пучения.

Практическое значение работы заключается в повышении качества проектирования малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах и возможности использования результатов исследований при разработке региональных норм.

Основные защищаемые положения.

1. При расчете выпучивания малозаглубленных фундаментов на промерзающих морозоопасных грунтах следует применять модель двухслойного основания, с учетом криволинейного характера зависимости интенсивности пучения от давления. Распределение температур по глубине основания необходимо принимать по данным экспериментальных исследований. Для изучения нормальных сил пучения в полевых условиях нужно применять методику, обеспечивающую ограничение давления на основание до значений, не превышающих расчетного сопротивления немерзлого грунта.

2. Устройство врезных песчаных подушек в основании малозаглубленных фундаментов является эффективным мероприятием, направленным на снижение величины выпучивания под действием нормальных сил морозного пучения. Наибольшая эффективность проявляется при толщине подушки, превышающей толщину верхнего слабопу-чинистого слоя грунта.

3. Повышение устойчивости фундаментов под действием касательных сил морозного пучения можно достичь физико-химической обработкой грунта обратной засыпки препаратом КМЦ (карбоксилме-

тилцеллюлоза) в количестве 0,5... 1,0% и внесением резиновой крошки в количестве 2...3% от веса сухого грунта. Для защиты кустов свай наиболее эффективно устройство защитного экрана из полимерной пленки.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на научно-практической конференции «Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья» (г.Чита, 1990 г.) и международном научно-техническом семинаре «Зашита инженерных сооружений от морозного пучения» (г.Чита, 1993 г.). По результатам исследований опубликовано шесть работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, заключения, пяти разделов и двух приложений. Содержит 190 страниц, в том числе 14 таблиц и 48 страниц иллюстраций (55 рисунков), список литературы из 115 наименований; приложение на 19 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

С целью изучения влияния противопучинных мероприятий на устойчивость малозаглубленных фундаментов нами проводились полевые экспериментальные исследования на площадках с различными климатическими и инженерно-геологическими условиями.

Первая экспериментальная площадка для исследования влияния противопучинного экрана перемещения свайных кустов располагалась на территории Загорского научно-экспериментального полигона ВНИ-ИСП в Подмосковье (пос. Загорские Дали).

Вторая экспериментальная площадка для изучения работы мало-заглубленных фундаментов на врезных песчаных подушках находилась на территории Читинского научно-инженерного центра ВНИИОСП (г. Чита).

Третья экспериментальная площадка располагалась в пос.Ясногорск Читинской области. Здесь проводились испытания свай на выдергивание с целью изучения свайных фундаментов на устойчивость под действием касательных сил морозного пучения.

Четвертая экспериментальная площадка была расположена на территории Читинской газораздаточной станции (ГРС), где проводились наблюдения за влиянием температурно-влажностного режима грунтов

на деформации фундаментов объектов производственного назначения (г. Чита).

Разработанная тензометрическая установка для измерения касательных сил морозного пучения основана на измерении разности контактных давлений по подошве фундамента в разные периоды времени. Эта установка позволяет измерять касательные силы (силы смерзания -фунта^с-боковой.поверхностью фундамента) при промерзании фунта ниже подошвы фундамента. Для исследованюГнормальньпгсилпредло— жена корректировка методики, обеспечивающая снижение давления от опытного фундамента на основание до величины, не превышающей расчетного сопротивления талого фунта. Это позволит приблизить работу экспериментальной установки к работе малозаглубленного фундамента.

На первой площадке проводились исследования устойчивости свайных кустов от воздействия касательных сил зимой 1989-1990 годов. На площадке было заложено две установки. На одной измерялись деформации поверхности фунта и свайных кустов с противопучинным экраном. Вторая установка являлась контрольной (свайный куст без противопучинного экрана). Кроме того, измерялась глубина промерзания и проводился периодический отбор проб фунтов на влажность.

Промерзание фунта началось в середине ноября. Максимальная глубина промерзания зафиксирована в конце января (74 см). Максимальное выпучивание фундамента контрольной установки зафиксировано 24 января (16 мм). На установке с противопучинным экраном максимальное выпучивание было зафиксировано 12 января и составило 7 мм (рис.1). Таким образом, при применении противопучинного экрана выпучивание свайного фундамента снизилось более чем в два раза. Кроме того, снижается неравномерность пучения фунта внутри экрана.

Как показали статические испытания свай, проведенные на третьей экспериментальной площадке (пос. Ясногорск), при неблагоприятных условиях сваи могут быть выпучены касательными силами морозного пучения. Одним из мероприятий, направленных на снижение влияния касательных сил, является метод блочной локализации.

Для проверки эффективности врезных песчаных подушек в условиях глубокого сезонного промерзания на второй экспериментальной площадке (г. Чита) проводились наблюдения за вертикальными перемещениями фундаментов с разной толщиной врезных песчаных подушек (рис.2). В конце активного периода промерзания (23 февраля) величина

15

а Б

у

I10

я й

Б 3 V 8 Ч

£ о

Величина выпучивания свайных кустов

т

20 40 60 80 100 120 Время промерзания в сутках.

140

-о-Контрольная установка. -^-Экспериментальная установка.

Рис. 1. Величина выпучивания кустов свай экспериментальной и контрольной установок в зависимости от времени.

Выпучивание фундаментов (площадка №2)

30

с:

I 20

пз Я

V

>, § 10

т «

х

? 0

Ч Ш

га

-10

23-Дек-

12-ЯНВ-89

01-Фев-89 21-Фев-89

-о-О.ОО мо- 0.50 мо- 0.75 kns.-l.00 м

Рис. 2. Величина выпучивания столбчатых фундаментов на врезных песчаных подушках в зависимости от времени.

выпучивания достигла для фундамента без подушки 28 мм, а фундамента на подушке толщиной 0,5 м - 26 мм. Вертикальный подъем фундаментов на подушках толщиной 0,75 м и 1,00 м составил соответственно 22 мм и 15 мм. Соответствующие модули пучения т для четырех фундаментов составили 1,27; 1,53; 1,51 и 0,68 см/м. Эти данные говорят о том, что снижение величины пучения на подушках толщиной 0,5 м и -0,75-м-лроисходило только за счет снижения толщины промерзающего

слоя фунта, а для подушки толщиной "0,5 ~м -- -дополнительно_за .счет_

снижения сопротивления смещению фунта относительно фаней фундамента. То есть с ростом толщины врезной подушки ее эффективность возрастает.

На четвертой площадке проводились наблюдения за температур-но-влажностным режимом фунтов и вертикальными перемещениями марок на территории Читинской ГРС. Проведенные наблюдения за тер-мовлажностным режимом фунтов позволят учесть при расчете малоза-глубленных фундаментов на пучинистых фунтах фактическое распределение температуры фунтов по глубине и реальные формируемые фа-диенты температуры и влажности.

При проведении лабораторных экспериментов было исследовано влияние различных добавок на пучинистость фунта, определены внутренние силы смерзания песчаного фунта и смоделированы касательные силы морозного пучения.

Физико-химическая обработка фунта является радикальным мероприятием, позволяющим подавить или, в значительной мере, снизить пучинистые свойства фунтов. Для наших исследований мы использовали следующие добавки: КМЦ, резиновая и пенопластовая крошка, а также тосол.

Механизм действия препарата КМЦ таков: при внесении препарата в фунт он взаимодействует с водой, в результате чего снижается коэффициент фильтрации. Кроме этого, КМЦ связывает часть воды, что в результате приводит к снижению мифации.

Механизм действия компенсирующих материалов (резины и пенопласта) заключается в том, что при промерзании фунта развивающиеся гидродинамические силы будут оказывать давление на внесенные добавки, в результате чего они будут деформироваться, компенсируя тем самым пучение фунта.

Для обработки супесей было предложено использовать КМЦ. Опыты проводились с читинской супесью, образцы которой были ото-

браны при откопке шурфов на второй площадке, В эксперименте было испытано четыре образца грунта, один из которых был контрольным, а три других с добавкой 0,25, 0,5 и 1,00% КМЦ. Результаты эксперимента показали следующее. Коэффициент относительного пучения грунта без добавки составлял 8,1%, а с добавками, соответственно, 5,5, 1,9 и 0,6%. Таким образом, КМЦ является довольно эффективной добавкой, значительно снижающей пучение грунтов. Эксперименты показали, что в пяти циклах промерзания-оттаивания эффект снижения пучения сохраняется. Опыты, проведенные с загорским суглинком (первая площадка), показали, что эффект снижения пучения наблюдается только в первом цикле. При следующих циклах промерзания-оттаивания эффект снижения пучения снижается.

Срок действия вышеназванных добавок ограничен. В качестве более стабильных добавок было предложено использовать полимерные материалы, обладающие способностью обратимо деформироваться. В наших исследованиях мы испытывали резиновую крошку с размером фракций 1...3 мм и пенопласт с размером фракций 3...6 мм. Резина добавлялась в количестве 3, 5 и 7%; пенопласт в количестве 0,1, 0,25 и 0,5% от веса сухого грунта.

При планировании эксперимента нами предполагалась большая эффективность применения добавки пенопласта для снижения пучини-стости, но это не подтвердилось. При внесении в грунт пенопласта снижения пучинистости грунта не происходило, а наблюдалось даже некоторое ее увеличение. Это можно объяснить тем что, пенопласт поглощает из грунта большое количество влаги. В наших экспериментах это поглощение составило 180% от собственного веса пенопласта. Так как опыты проводились по открытой системе, то количество поглощенной пенопластом влаги компенсировалось за счет фильтрационного подсоса. В процессе промерзания и пучения грунт оказывал давление на пенопластовую крошку, в результате чего она деформировалась и отдавала часть поглощенной воды. Значит, с одной стороны, происходило компенсирование деформаций пучения, а с другой, - дополнительное увлажнение грунта, приводящее к росту деформаций пучения.

Пенопласт является еще и теплоизолятором. Внесение в грунт пенопласта приводит к изменению температурного градиента, замедлению скорости промерзания и соответственно к росту количества мигрирующей влаги и величины пучения. Таким образам, внесение в грунт пенопласта, в условиях открытой системы, является нецелесообразным. В то

же время, в некоторых случаях, это может быть полезным, так как пенопласт, поглощая влагу, может снизить влажность грунта до критической величины, при которой отсутствует миграция.

При исследовании влияния резиновой крошки на пучинистые свойства грунтов были получены следующие результаты. На третьем цикле промораживания модуль пучения контрольного образца составил -1,25%,_а_с_добавкой 3, 5 и 7% резиновой крошки модуль пучения был, соответственно, 0,7, 0,9 и 175% Г Из приведенных результатов-видно,-что— при внесении в грунт 3% резиновой крошки происходит снижение эффективности пучения, а при увеличении количества добавки наблюдается ее рост. Одной из причин этого является, как и в случае с пенопластом, изменение температурного градиента.

Предложенные добавки возможно использовать для обработки грунта обратной засыпки пазух лидерных скважин. Другим направлением их применения является устройство свай, армирующих грунт.

Силы смерзания определялись путем продавливания моделей фундамента через слой мерзлого грунта. Испытания проводились на механизированном прессе подобно определению устойчивых сил смерзания грунта с материалом фундамента (аналога касательных сил пучения) с тем отличием, что модель фундамента не вмораживалась в грунт, а упиралась на его поверхность. В качестве модели фундамента нами применялись свайки сечением 2x2 см. Свайка продавливалась через кольцо, набитое грунтом, который используется в качестве материала подушки. Диаметр кольца 105 мм, высота 43 мм.

Учитывая приведенные зависимости, можно оценить глубину, при которой сопротивление смещению мерзлого песчаного грунта меньше, чем у замененного пучинистого. Это поможет при выборе оптимальной толщины врезной песчаной подушки.

Существует известная методика оценки касательных сил морозного пучения в лабораторных условиях, основанная на том, что в качестве эквивалента касательных сил принимаются устойчивые силы смерзания. Эти силы определяются путем продавливания стоек, вмороженных в грунт, с определенной скоростью, близкой к скорости пучения. Однако в этих опытах используются модели фундаментов небольшого размера, что не позволяет полностью обеспечить условия подобия.

Для приближения к натурным размерам фундаментов нами были проведены лабораторные исследования с более крупными моделями свай (на данном этапе это были эксперименты с немерзлым песком для

получения качественной картины формирования касательных сил морозного пучения).

Исследования проводились в лотке размером в плане 515x600 мм и высотой 1310 мм. В состав установки входили: лоток с грунтом, упорная рама, динамометр растяжения, резиновая камера и индикаторы часового типа.

В качестве грунта нами использовался песок мелкий, желтого цвета, аллювиальйого происхождения. На первом этапе эксперименты проводились с песком в воздушно-сухом состоянии, а на втором - с увлажненным грунтом. В опытах нами использовались сваи трех типов:

1) дюралюминиевая модель сваи круглого сечения (Дкр), диаметром 32 мм и длиной 1000 мм;

2) стальная модель сваи прямоугольного поперечного сечения (Спр), размером 25x23 мм и длиной 1000 мм;

3) железобетонная модель сваи квадратного поперечного сечения (Жкв), размером 34x34 мм, 38x38 мм и длиной 600 мм.

Исходя из результатов опытов, был выявлен различный характер формирования силы трения на свае в зависимости от материала сваи и состояния грунта. Все графики можно разбить на два участка. На первом участке наблюдается быстрый рост силы трения, а на втором, в зависимости от материала сваи и состояния грунта, характер изменения силы трения различен.

Так, для свай типа Жкв, после того как сила трения достигнет своего максимума (грунт в воздушно-сухом состоянии), наблюдается довольно резкое ее снижение (рис.3). Крутизна наклона нисходящей кривой меньше, чем у восходящей. Тенденция в выполаживанию нисходящей ветви просматривается слабо. Крутизна нисходящей ветви у свай типа Дкр значительно меньше, чем у свай типа Жкв, а у свай типа Спр ветвь почти горизонтальная.

Увлажнение грунта приводит к изменению характера кривых (рис.4). Так, первый участок кривой становится более пологим для всех трех типов свай. Что касается второго участка, то снижения силы трения не наблюдается для всех трех типов свай. Для свай типа Жкв второй участок кривой практически горизонталный, а для свай типа Спр и Дкр на втором участке кривой наблюдается плавный рост силы трения, причем для стальных свай отмечена тенденция к выполаживанию.

Сила трения на свае типа Жкв Опыт № 39

О 2 4 6 8 10 12 14

Перемещение грунта, мм

Рис. 3. Развитие сил трения на боковой поверхности модели сваи типа Жкв в зависимости от перемещения грунта в воздушно-сухом состоянии.

Сила трения на свае типа Жкв Опыт »88

О 10 20 30 40 50

Перемещение грунта, мм.

Рис. 4. Развитие сил трения на боковой поверхности модели сваи типа Жкв в зависимости от перемещения грунта во влажном состоянии.

Из приведенных результатов видно, что не всегда формирование касательной силы будет соответствовать результатам, полученным при испытании коротких моделей в лабораторных условиях (быстрый рост сил смерзания в начале испытания и постепенное приближение к некоторому значению сверху). Опыты с длинномерными моделями свай говорят о возможности использования при расчете динамики развития касательных сил пучения математических кривых, соответствующих экспериментальным (постепенный рост и приближение к некоторому значению снизу). Для получения количественных характеристик необходимо проведение полевых экспериментов.

При промерзании грунта ниже подошвы фундамента его выпучивание начнется не сразу, а при достижении некоторой глубины промерзания d0. При этом значение нормальной силы пучения будет равно нагрузке по подошве фундамента. Таким образом, для определения величины d0 необходимо определить зависимость нормальной силы пучения от глубины промерзания.

Все методы определения нормальных сил пучения направлены на получение максимальных значений, характеризующих потенциальную силовую возможность промерзающего грунта. В то же время для случая малозаглубленных фундаментов полной реализации нормальных сил не происходит. В связи с этим необходимо знать не максимальные значения нормальных сил, а глубину промерзания, при которой начинается подвижка фундамента. Иными словами, нужно определить глубину промерзания, при которой силы морозного пучения будут уравновешиваться нагрузкой по подошве фундамента. Поэтому необходимо выбрать методику, которая более полно отвечает поставленной задаче.

Наибольшее распространение получили методы Орлова В.О. и Киселева М.Ф. Параметры as (сопротивление смещению мерзлого грунта по Орлову В.О.) и аот (относительная нормальная сила по Киселеву М.Ф.) можно получить, используя полевую установку для измерения нормальной силы морозного пучения.

Как видно из проведенных исследований, параметр crs более достоверно отражает природу нормальных сил, чем параметр <гот. В то же время расчет, выполненный по эмпирической формуле Орлова В.О., в условиях Забайкалья дает завышенные значения crs. Таким образом, достоверно оценить <т5 можно только исходя из экспериментов в поле-

вых условиях, в конкретных инженерно-геологических и климатических условиях.

При распучивании грунта происходит резкое изменение плотности скелета грунта, что при оттаивании грунта приводит к ухудшению его деформационных характеристик. Тогда нагрузка, необходимая для приведения грунта в первоначальное состояние, будет соответствовать нормальной силе морозного пучения, а компрессионная кривая, получаемая при испытании распученного "грунта,—зависимости -величины_

пучения от нагрузки. При проведении лабораторных испытаний с целью нахождения модуля деформации довольно сложно соблюдать условия подобия, поэтому необходимо найти другие подходы к решению этой проблемы.

Модуль деформации распученного грунта Е можно оценить косвенным путем на основе лабораторных исследований пучения компрессионно нагруженных образцов. Получив в лабораторных условиях интенсивность пучения / при различных значениях давления на грунт и построив соответствующий график, найденную зависимость можно интерпретировать как компрессионную кривую. По данным эксперимента Пускова В.И. с пылеватыми суглинками, среднее значение Е на участке 0...0,075 МПа равно 0,1 МПа, а при больших давлениях резко проявляется ее криволинейный характер.

Другим способом получения параметра Е является анализ данных исследования нормальной силы пучения в полевых условиях. При этом необходимо несколько изменить схему эксперимента с целью ограничить давление, передаваемое на основание через подошву фундамента. После анализа полученных данных по известным теоретическим зависимостям несложно получить требуемые параметры (о^ и Е) промерзающего пучинистого грунта.

Расчет величины hfp проводится в следующем порядке:

а) расчет интенсивности пучения / ненагруженного основания по глубине сезонного промерзания;

б) расчет вертикальных сжимающих напряжений аг по глубине промерзания, возникающих от внешней нагрузки на границе промерзающего грунта;

в) расчет интенсивности морозного пучения hfp в основании ма-лозаглубленного фундамента с учетом внешней нагрузки;

г) определение интегральной величины выпучивания фундамента.

Интенсивность пучения / определяется согласно методике Орлова В.О. При этом целесообразно учитывать реальное распределение температуры грунта по глубине и фактические градиенты температур в зоне активного пучения, получаемые по данным полевых измерений.

Расчет вертикальных сжимающих напряжений о> по глубине промерзания проводится с учетом модели двухслойного основания. В качестве первого (верхнего) слоя мы примем твердомерзлый слой с переходной зоной, а в качестве второго (нижнего) - талый слой. Условной границей между двумя слоями в этом случае будет изотерма с температурой, равной температуре начала пучения.

Практическое решение задачи расчета напряжений в двухслойном основании (как для столбчатых, так и для ленточных фундаментов) может быть упрощено, если к нему применить принцип эквивалентной замены слоев грунта с тем, чтобы привести двухслойное основание к однослойному. Орнатский Н.В. предлагает заменять толщину верхнего слоя Л эквивалентной высотой Иэкв, с модулем упругости нижнего слоя:

где Е1 и £2 - средние модули деформации верхнего и нижнего слоев соответственно.

Далее, используя формулы для расчета напряжения в однородном упругом полупространстве, можно легко рассчитать напряжения на границе промерзания, используя вместо текущей глубины промерзания эквивалентную толщину мерзлого слоя основания.

Значения модуля упругости и коэффициента Пуассона для мерзлых грунтов зависят от температуры. В расчетах необходимо использовать значения деформационных характеристик при средней температуре верхнего слоя грунта. Для определения деформационных характеристик нам необходимо знать распределение температур по глубине в процессе промерзания по данным многолетних полевых наблюдений. В случае отсутствия этих данных можно принять линейное распределение температуры по глубине, принимая за температуру на поверхности грунта половину средней температуры в зимний период.

(О

Зависимость деформационных характеристик от температуры примем по дГньш Цытовича НА. Модуль деформации верхнего мерзлого слоя можно рассчитать по следующей формуле:

Е =

0,5 + 0- 2,1 —

1,87 0,25

10

, МПа,

(2)

где в - средняя температура верхнего слоя по модулю; 1р - число пластичности. передаваемое через подощву фундамента на

промерзающий слой грунта, оказывает существенное чину его пучения. Зависимость интенсивности пучения/от сжимающих напряжений <г, для конкретного вида грунта целесообразно получать из лабоГорТык Гпьпаний грунтов на пучинистость при разных давлени-трудоемкостью испытаний, а также отсутствием единои мет^ки испьЗий, возможно теоретическое определение зависимо-

рти между этими величинами.

По данным ряда экспериментальных исследовании, зависимое между давлением и интенсивностью пучения имеет ярко выраженный ;Тволин« характер и может быть представленаэкс™=ои коивой Так как для описания кривой необходимо знать, по меньшей меГ три точки, через которые она проходит, то в функциональную зависть должны "входить три параметра. Вид функциональной зависимости удобно представить следующим образом:

//>=£-ехр[(а-<т+г>)-б]5 (3)

где а Ь с-параметры кривой;/р-интенсивность пучения нагруженного

гоунта- а - давление, действующее на промерзающий слои грунта.

определяет одну из точек, лежащую на оси ординат, и

принимается равным интенсивности пучения

Ива тугих параметра аиЬ можно определить по двум характерным ГГГпе^ьной кривой, исходя из решения системы уравнений:

V /о ) , ,

-—- = а -ах+Ь

Первой характерной точкой экспоненциальной кривой является некоторая точка, где происходит резкое изменение угла наклона касательной. С физической точки зрения наличие этой точки можно объяснить следующим образом. При увеличении давления, передаваемого на промерзающий слой грунта от внешней нагрузки, происходит снижение количества мигрирующей влаги и, соответственно, уменьшение величины пучения. При достижении давлением определенной величины миграция влаги будет практически полностью подавлена, и пучение будет происходить за счет начального влагосодержания. Изменение величины пучения при дальнейшем увеличении давления будет происходить только за счет изменения физических свойств фунта.

Другой характерной точкой будет точка, где пучение практически отсутствует. Это будет соответствовать давлению, которое равно "собственно силам пучения", по Орлову В.О., или относительным нормальным силам пучения, по Киселеву М.Ф.

Для конкретного вида фунта в качестве первой характерной точки примем точку с координатами а]=0,06 МПа,//=0,2/(>

Принимая интенсивность пучения во второй характерной точке, равной /2=0,005/0, и линейное распределение зависимости интенсивности пучения от давления на участке сг]...атах> получим значения давления во второй характерной точке:

В качестве значения атах в первом приближении можно принять 0,2 МПа. Таким образом, зная 3 характерные точки, можно построить

°"2 =(сгшах

Л '

(5)

зависимость интенсивности пучения нагруженного грунта в зависимости от действующего на него давления.

Интегральная величина выпучивания малозаглубленного фундамента на врезной подушке определится по следующей формуле:

^-¡Я^сЬ---------

¿п

где с1п - глубина заложения подошвы подушки; df - глубина промерзания; / - интенсивность пучения элементарного слоя; г - глубина элементарного слоя; <т2- среднее давление под подошвой фундамента на глубине г.

Величина аг определяется в зависимости от глубины г и давления по подошве фундамента р0 по изложенной выше методике. Выражение для определения давления по подошве условного фундамента запишем в следующем виде:

~тф ' ^бок ~ т» '

Ро=-~А- , (7)

где Р0 - внешнее давление, кН; тф - сила смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента, кН; тп - сила смерзания материала подушки по периметру фундамента, кН; А - площадь подошвы фундамента, м2; Абок - площадь боковой поверхности фундамента, м2; Ап - площадь боковой поверхности подушки, м2.

Для случая незаглубленного фундамента и при отсутствии врезной подушки соответствующие члены в формуле будут равны нулю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что взаимодействие фундаментов с промерзающими пучини-стыми грунтами является сложной задачей. Для надежного проектиро-

вания фундаментов необходимо учитывать инженерно-геологические условия площадки и климатические особенности региона.

При расчете малозаглубленных фундаментов по второму предельному состоянию следует применять модель двухслойного основания. Предложены аналитические формулы для определения модуля упругости верхнего мерзлого слоя, основанные на данных Цытовича H.A. Для расчета напряжений в двухслойном основании предложено использовать метод приведенных жесткостей.

При расчете интенсивности морозного пучения по глубине следует использовать фактическое распределение температур грунта по глубине промерзания, принимая при этом за среднюю температуру поверхности грунта половину среднезимней температуры воздуха.

Зависимость интенсивности морозного пучения от нагрузки носит криволинейный характер. Параметры кривой определяются по данным полевых исследований нормальных сил, по усовершенствованной методике, более приближенной к реальной работе фундаментов.

Для снижения воздействия промерзающего пучинистого грунта с фундаментами следует проводить противопучинные мероприятия. Результаты проверки в полевых и лабораторных условиях различных про-тивопучинных мероприятий показали следующее:

1. Применение врезных песчаных подушек в условиях глубокого сезонного промерзания, при наличии верхнего непучинистого слоя снижает величину пучения. При толщине подушек 0,5 и 0,75 м при снижении суммарной величины выпучивания в то же время повышается средняя интенсивность пучения грунта, залегающего ниже подушки. При толщине подушки 1,0 м средняя интенсивность пучения снижается. В первом случае выпучивание уменьшается только за счет толщины промерзающего слоя грунта, а во втором так же за счет снижения сопротивления смещению мерзлого фунта. Кроме того, при увеличении толщины подушки происходит замена грунта с большей интенсивностью пучения. Таким образом врезные подушки наиболее эффективны при тол-шине, превышающей верхний непучинистый слой грунта.

2. Устройство противопучинных экранов около свайных фундаментов (метод блочной локализации) является эффективным мероприятием, значительно снижающим перемещения свай под действием касательных сил морозного пучения. Его целесообразно проводить для кустов свай в случае недостаточной анкеровки их в немерзлом основании.

Применение блочной локализации позволит повысить устойчивость коротких забивных или набивных свай с небольшими нагрузками.

3. Применение препарата КМЦ в количестве 0,5...1,0% от веса сухого грунта и резиновой крошки (2...3%) приводит к снижению интенсивности пучения. Для повышения устойчивости бурозабивных свай под действием касательных сил (для заливки свободного пространства нилерипй ск-кзжцш.т) с.пр пует.использовать шлам, обработанный указанными добавками.

СПИСОК ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Устойчивость малозаглубленных фундаментов на врезных песчаных подушках в условиях глубокого сезонного промерзания // Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. - Чита, 1992. -С.59-61.

2. Физико-химическая стабилизация промерзающего грунта II Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. - Чита, 1992. -С.133-135.

3. К расчету выпучивания малозаглубленных фундаментов // Защита инженерных сооружений от морозного пучения. - Якутск, 1993. -С.28.

4. Displacement of shallow foundations by the effect of frost heaving forces // Gold region engineering. - Harbin (China), 1996. - P. 164-166.

5. Displacement of shallow foundations by the effect of frost heaving forces // Ground freezing 97. Frost Action in Soils.- A.A.Balkema (Roterdam, Brookfield), 1997. - P.255-257.

6. Совершенствование метода расчета малозаглубленных фундаментов // Вестник Читинской организации научно-технического общества строителей. - Чита: ЧитГТУ, 1997. - С.61-65.