N3, 2000

Геокриологическое обеспечение технологических решений при устройстве оснований, фундаментов и реконструкции сооружений в зимних условиях

Карлов В.Д.

При производстве работ по устройству котлованов, подготовке оснований, возведению фундаментов, а также реконструкции зданий и сооружений в зимних условиях строители сталкиваются с проблемой оценки морозоопасности грунтов и принятия правильных решений по обпеспечению надежности возводимых объектов. Под морозоопасностью грунтов в строительстве понимают их способность в процессе промерзания-оттаивания оказывать влияние на устойчивость сооружений при взаимодействии с фундаментами или иными конструкциями. В соответствии с требованиями СНиП 3.02.01-83 выбор способа производства работ по устройству оснований и фундаментов должен определяться на основании данных инженерно-геологических исследований. При указанных работах в зимних условиях результатов стандартных изысканий будет уже недостаточно. Для принятия технологических решении необходимы дополнительные данные, характеризующие криогенные (мерзлотные) свойства грунтов в процессе промерзания – оттаивания. Это определяется необходимостью учета морозоопасных свойств грунтов, которые влияют на устойчивость и прочность оснований, фундаментов и сооружений в период сезонного промерзания и последующего оттаивания.

Морозоопасные свойства сезоннопромерзающих грунтов характеризуются: коэффициентом морозного пучения e _fh (относительной деформацией морозного пучения промерзающего слоя); давлением морозного пучения р_th, нормальным к подошве фундамента или иной конструкции, взаимодействующей с промерзающим грунтом; удельным значением касательной силы морозного пучения t _fh, действующей вдоль боковой поверхности фундамента или стены, заглубленной в грунт; существенным понижением величины предельного сопротивления сдвигу оттаивающего слоя грунта t _th,u, а следовательно и параметров его прочности – угла внутреннего трения j _th и удельного сцепления С_th. Из всех указанных характеристик только определение величины удельной силы морозного пучения t _th возможно для практического использования по данным нормативной (табл.9 СНиП 2.02.04-88) или технической литературы [1].

В настоящей статье рассматриваются предложенные автором методики оценки остальных показателей морозоопасных свойств грунтов в строительстве. Прогноз показателей морозопасности грунтов является основным и наиболее доступным методом для решения практических задач, связанных с проектированием малозаглубленных и поверхностных фундаментов легких сооружений различного назначения. Технологический аспект прогнозов деформаций и сил морозного печения при промерзании грунтов и степени снижения их прочности в процессе последующего оттаивания определяется недоступностью решения следующих инженерных задач в проектах организации и производства работ по устройству фундаментов в зимних условиях:

1- установления степени пучинистости промерзающих грунтов, величины их деформаций и силового воздействия на фундаменты, подпорные стенки, ограждения котлованов и другие конструкции при взаимодействии с промерзающим грунтом (по результатам оценки интенсивности деформаций e _f и нормальных сил р_fh морозного пучения);

2 - определения несущей способности оттаивающего основания, промороженного в период строительства, реконструкции или консервации объекта по, по величине показателей прочностных свойств грунтов в процессе оттаивания (j _th и С_th);

3 - оценки устойчивости промороженных откосов котлованов или креплений их стенок при весеннем оттаивании грунтов в связи с уменьшением значений показателей их прочности j _th и С_th;

4 - установления сроков и темпов нагружения оттаявшего (естественного или искусственного основания по результатам прогноза “восстановления” прочности грунтов после оттаивания вследствие их консолидации.

5 - установления несущей способности основания и давления на ограждения оттаивающих песчаных грунтов при динамических воздействиях в связи с влиянием последних на прочность песков при оттаивании (t _th,a ).

Надежность оснований, фундаментов и сооружений, возводимых в зимних условиях, должна быть обоснована расчетами на основе прогнозирования деформаций и сил морозного пучения при промерзании, снижения показателей прочностных свойств грунтов в процессе последующего оттаивания и в соответствии с этим – назначения научно-обоснованных мероприятий по уменьшению морозоопасности грунтов. Величина относительной деформации морозного пучения промерзающего слоя грунта основания (коэффициент пучения) может быть определена по формуле автора в зависимости от основных факторов, влияющих на интенсивность этого процесса:

(1)

где e _fp – коэффициент морозного пучения с учетом внешнего давления на промерзающее основание; s - средняя величина напряжения в промерзающем слое грунта основания; a , b , y - экспериментально установленные параметры, характеризующие в обобщенном виде пучинистые свойства грунтов и определяемые по таблице в зависимости от вида глинистого грунта, его числа пластичности и предела текучести; k - коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения в зависимости от расстояния от границы промерзания до уровня подземных вод; w_v – средняя величина объемной влажности промерзающего слоя грунта; g _Т – коэффициент, учитывающий влияние климатических условий района строительства на интенсивность морозного пучения грунта, определяется по таблице в зависимости от нормативной глубины промерзания.

Величина морозного пучения грунта f_fp может быть определена по формуле:

(2)

где e _fp – коэффициент морозного пучения грунта, определяемый по формуле (1); h_f – глубина промерзания грунта ниже подошвы фундамента.

Для оценки величины удельного давления морозного пучения грунта р_fh используются выражения (1) и (2). Величина указанного давления зависит от степени стеснения (ограничения) деформации морозного пучения промерзающего основания. При свободном перемещении ненагруженной поверхности основания (f_fo) значение р_fh равно нулю. В условиях полного исключения деформации пучения (e _fp=0 или f_fp=0) значение р_fh будет равно нулю. В условиях полного исключения деформации пучения (e _fp=0 или f_fp=0) значение р_fh будет максимальным (р_{fh max}). В условиях частичного ограничения деформации пучения (f_fo-S_k) за счет податливости системы сооружение-основание (S_k) или при устройстве компенсаторов, деформирующихся на величину S_k, удельное давление морозного пучения р_fh будет определяться пропорционально степени стеснения деформирования промерзающего основания (рис.1).

Рис.1. Зависимость величины удельного нормального давления морозного пучения от величины стесненности деформации пучения (f_fp=f_fo-S_k)

Расчеты показывают, что интенсивность морозного пучения грунта коэффициент пучения) можно уменьшить в несколько раз за счет понижения уровня подземных вод от границы промерзания на величину z (см.табл.1).

Таблица 1

Поэтому инженерно-мелиоративные мероприятия по понижению степени морозоопасности грунтов могут оказаться более эффективными по сравнению с другими, направленными на обеспечение устойчивости оснований, фундаментов, подпорных стенок и других сооружений, возводимых в зимних условиях.

В настоящее время традиционные дренажные устройства могут быть существенно усовершенствованы в связи с возможностью использования новых синтетических фильтрирующих материалов и более производительной технологии их выполнения. Это особенно важно, когда дренирование осуществляется на период производства работ. Может быть осуществлена как кольцевая, так и лучевая схема водозаборов, а дренирование – путем укладки в узкие щели, прорезаемые барочными машинами, фильтрующих тканей типа Тураг.

Интенсивность морозного пучения, зависящая в основном от плотности миграционного потока влаги к границе промерзания из талых подстилающих слоев, непосредственно определяет и степень снижения прочности грунта в процессе последующего оттаивания. Это объясняется зимним влагонакоплением в промерзающем слое, приводящим к переувлажнению грунта при оттаивании и образовании новой посткриогенной структуры. Оттаивающие глинистые грунты по своим прочностным свойствам представляют собой истинно-пластичные грунты, полностью лишенные “жесткого структурного сцепления” (по Н.Н.Маслову). Предельное сопротивление сдвигу оттаивающего грунта (t _thu) и предельное сопротивление сдвигу того же грунта до промораживания (t _u) как показывали результаты исследований связаны соотношением

t _thu= t _u(a-b× w_v), (3)

где a и b – параметры, зависящие от вида грунта и его состояния; w_v – объемная влажность оттаивающего грунта, определяемая экспериментально или на основании расчетов миграционного влагонакопления, в том числе, приближенно по величине коэффициента морозного пучения [2].

На основании установленных закономерностей изменения прочностных свойств при оттаивании сезоннопромерзающих грунтов разработана методика приближенного определения величины удельного сцепления С_th и угла внутреннего трения j _th путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания (C и j ) за счет понижающих коэффициентов:

С_th = c/g _{g(c)× g mf} и j _th = j /g _{g(j )th× g mf} , (4)

где g _g(c)th и g _{g(j )th} – коэффициенты надежности по грунту при его оттаивании соответственно для удельного сцепления и угла внутреннего трения;

g _m.f – коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влажного и морозного трения на формирование посткриогенной структуры оттаивающего грунта на его прочностные свойства.

Составлены таблицы значений понижающих g _g(c)th, g _{g(j )th} и g _m.f в зависимости от вида грунта, его состояния по консистенции и величины коэффициента морозного трения грунта при его промерзании в конкретных условиях строительной площадки.

Определение показателей прочности оттаивающего грунта j _th, С_th и t _tn.u по изложенной выше методике позволяет оценить величину расчетного сопротивления R_th и предельного давления P_th.u , а также установить сроки консолидации грунта по истечению которых можно передать ту или иную величину нагрузки на оттаявшее основание.

Предельное давление на оттаивающее основание можно рассчитать по формуле:

P_th.u = t _tn.u/0.31. (5)

За расчетное сопротивление следует принять отношение величины предельного сопротивления к коэффициенту надежности (g _n), т.е.

R_th = P_th.u/g _{n .} (6)

Определение R_th возможно и по методике СНиП 2.02.01-83* с использованием значений j _th и С_th.

Устойчивость откосов и ограждений котлованов при промораживании глинистого грунта в зимний период необходимо определять с учетом снижения показателей прочностных свойств грунта при оттаивании. Расчеты показывают, что в зависимости от условий промораживания последующее оттаивание грунта может приводить к существенному понижению устойчивости откоса и увеличению давления на ограждение.

Прочность оттаивания песчаных грунтов в зависимости от их крупности при оттаивании снижается приблизительно на 10¸ 15%.

Оттаивание и динамическое воздействие различной интенсивности (от 0,5 до 1,5g) могут привести к уменьшению предельного сопротивления сдвигу оттаивающего водонасыщенного песка средней крупности на величину от 25 до 50%. Наибольшее уменьшение прочности при оттаивании песка происходит при частоте колебаний 20 Гц. Разработана методика приближенного определения величины угла внутреннего трения оттаивающих песчаных грунтов (j _th).

Особенности организации и технологии работ при устройстве фундаментов в зимних условиях связаны с необходимостью снизить до допустимых пределов или полностью исключить вредное влияние процессов, определяющих морозоопасность грунтов на устойчивость оснований, фундаментов, откосов и креплений котлованов и других конструкций при взаимодействии с сезоннопромерзающим грунтом. Установление указанных выше показателей на основании анализа основных факторов, определяющих морозоопасные свойства грунтов, позволяет правильно и рационально осуществить мероприятия по обеспечению надежности сооружений, возводимых в зимних условиях. Положительный опыт решения сложных вопросов устройства фундаментов зданий и сооружений различного назначения в зимних условиях на пучинистых грунтах Санкт-Петербурга, Череповца, Улан-Батора и других районов подтверждает достоверность рассмотренных методов прогноза морозоопасных свойств грунтов.

Литература

1. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений. М.;Л.:Стройиздат, 1957.

2. Карлов В.Д. Новые методы оценки влияния промерзания и отаивания на изменение механических свойств сезоннопромерзающих грунтов оснований сооружений // Инженерно-геологические изыскания и исследования в криолитозоне – теория, методология, практика: Материалы международной конференции. СПб., 2000. С. 124-130.