CC BY
119
---------------------------------- © В.Д. Карлов, З. Биндэръяа,
Б. Батхуяг, 2008
В.Д. Карлов, З. Биндэръяа, Б. Батхуяг
ПРОГНОЗ ВЕЛИЧИНЫ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ
Резюме
~П этой исследовательской работе авторы преследовали цель
-Я-М ознакомить читателей с методиками изучения вредных влияний сезонно-промерзающих пучинистых грун-тов на здания и сооружения. Профессор В.Д. Карлов предложил 2 методики оценки величины морозного пучения (экспериментальную и теоретическую) промерзающего грунта. Впоследствии доктора (PhD) Б. Батхуяг и З. Биндэръяа развили вышеназванные методики посредством изучения взаимодействия малозаглубленных фундаментов (в условиях с песчаной подушкой или без песчаной подушки) в лабораторных (в России) и полевых (в Монголии) условиях.
Ключевые слова.
Промерзающие, пучинистые грунты основания, величина и интенсивность морозного пучения, интенсивность миграции влаги в грунте, экспериментальные и теоретические методы определения величины пучения, результаты лабораторных и полевых экспериментов.
Введение
Проблема обеспечения надежности гражданских и других типов зданий, сооружений в сезонно-промерзающих, пучинис-тых грунтах основания остается одной из актуальных.
Особенности сезонно-промерзающих (в условиях Монголии глубокопромерзающих), пучинистых грунтов оснований определяются процессами, происходящими во время их про-мерзания -оттаивания и их взаимодействия с фундаментами. В число этих процессов входят, в частности, миграция влаги при промерзании грунтов, морозное пучение, процесс образования морозной текстуры, процесс изменения показателей деформации и устойчивости грунтов при их оттаивании и другие.
Эти процессы и явления представляют высокую вероят-ность повлечь за собой опасность и угрозу, связанные с морозным пучением грунта.
Оценка всего этого до сих пор остается плохо развитой и сложной проблемой. И поэтому в данной статье рассмотрена методика оценки степени опасности морозного пучения сезонно-промерзающих грунтов основания, предложенная автором. В соответствии со СНиП, действующими в настоящее время, расчет деформаций промерзающих, пучинистых грунтов проводится исходя из выполнения следующего условия:
//, ^ /и . (1)
Здесь - величина деформаций морозного пучения, рассчи-танная с учётом напряженного состояния грунта; / - предельное значение деформаций грунтов основания, допускаемое соответствующими нормами для проектируемых зданий и сооружений.
В исследованиях пр. В.Д. Карлова [7] была отмечена возможность превышения величины совместных деформаций малозаглуб-ленных фундаментов и промерзающих, пучинистых грунтов основания в допускаемых пределах, хотя эти же грунты относятся к мало- и среднепучинистым (по нормам России и Монголии).
Одним из способов, уменьшающих величину этих деформаций, является устройство под подошвой фундаментов песча-ных подушек из крупных и средней крупности песков. Однако еще недостаточно исследованы закономерности взаимодействия малоза-глубленных фундаментов, песчаных подушек и промерзающих, пучинистых грунтов основания.
Также недостаточно усовершенствованы методы прогноза деформаций морозного пучения грунтов основания.
Экспериментальный метод
Экспериментальный метод основывается на взаимной зависимости между относительной величиной (иногда называют коэффициентом пучения) деформаций пучения грунтов основания и влияющими на неё основными факторами:
/= Х(а^у- Р- уа)уг (2)
Здесь а, Р, у - параметры пучинистости грунтов, определяемые экспериментально. Эти параметры можно определить также, используя соответствующие таблицы в зависимости от вида грунта и
его пределов пластичности. Коэффициент % выражает влияние подземных вод на процессе промерзания грунтов.
Результаты экспериментальных исследований и теоретических расчетов показали, что в зависимости от климатических условий площадки строительства понижается интенсивность морозного пучения грунтов по мере повышения скорости их промерзания. Эта закономерность учитывается в зависимости (1) через коэффициент ут Значения коэффициента можно приблизительно определять, используя таблицу.
Значения коэффициента ут для площадок с нормативной глубиной промерзания грунтов
<1 1...1,5 ,5 2, ,5 со 2 >3
Тт 1,25 1,2 1,15 1,1 1,0
Величина деформаций морозного пучения промерзающих грунтов основания определяется по формуле
(3)
где Е£р- коэффициент пучения промерзающей части грунта, определяемый с учетом напряженного состояния основания. Значения коэффициента можно определить, используя зависимость (1), который является отношением величины пучения грунта ff.p к расчетной глубине его промерзания df ; hf - толщина промерзающего слоя грунта под подошвой фундамента.
Коэффициент пучения грунта можно определить, исполь-зуя следующую экспериментальную зависимость, предложен-ную автором:
е1р1 = 0,246ра^г - 0,048 (4)
Здесь - плотность г-го слоя сухого грунта, г/см3; Жг - средняя влажность г-го слоя грунта (перед промерзанием).
Теоретический метод
Теоретический метод основывается на идее о том, что на интенсивность миграций влаги на нижнюю границу промерза-ния и количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах оказывает влияние величина давления на грунт основания. В соответствии с [4] величину морозного пучения грунтов можно определить как
^.р =^.р+£[.т.р, (5)
где ff.p - суммарная величина морозного пучения, опреде-ляемая с учетом напряженного состояния грунтов основания; ff.v.p- величина морозного пучения грунта в зависимости от уве-личения количества воды путем миграции влаги к границе промерзания; ff.nt.-i, - величина морозного пучения грунта в зависимости от объемного расширения начальной влажности до промерзания.
Зависимость (5) можно выразить [4] следующим образом:
где Wv - влажность грунта до промерзания, в процентах; Жшр - количество влажности, соответствующее количеству незамерз-шей воды в мерзлых слоях грунта; % - коэффициент, учиты-вающий влияние подземных вод на интенсивность миграции влаги в грунте; qv.p - интенсивность миграции влаги к границе промерзания грунта (количество воды, поступившей в мерзлые слои грунта через единицу площади); г - время промерзания грунта на толщину hf от подошвы фундамента.
По результатам экспериментов интенсивность миграции влаги с учетом напряженного состояния грунта можно выра-зить следующей экспоненциальной зависимостью:
qCr = qv ехр(-аа) (7)
где а - экспериментальный коэффициент; q - интенсивность миграции влаги, соответствующая случаю отсутствия внешнего давления на мерзлые слои грунта основания, определяемая по формуле Н.А. Пузакова [6].
Интенсивность миграции влаги из талых слоев грунта к границе промерзания в общем случае можно выразить гради-ентом количества влажности.
Учитывая линейную зависимость изменения количества влажности ниже границы промерзания, толщину зоны всасыва-ния можно определить по формуле Н.А. Пузакова [6]. Взяв в первом приближении количество критической влажности при-мерно равным числу пластичности грунта, можно определить:
где р4.0^ - максимальная плотность сухого грунта, соответствующая стандартному уплотнению при оптимальной его влажности; р4 - плотность промерзающего сухого грунта.
ff._р = 0,09(Wv-Ww.p)hf - 1,09qv.p % г,
(6)
Wcr = (Рс1.ор/Р4- 0,2)^р,
(8)
Количество незамерзшей воды в промерзающем грунте основания под внешним давлением можно также определить исходя из зависимости Н.А. Пузакова [6].
Wwp = Ww+bI 4С, (9)
где Ww - влажность, соответствующая количеству незамерзающей воды при отсутствии внешнего давления на грунт (с=1); Ь1 - экспериментальный коэффициент.
Дальнейшее развитие методик расчёта
На основании разработанных критериев моделирования в лаборатории ЛИСИ на моделях д-ром Б. Батхуягом были вы-полнены исследования закономерностей морозного пучения грунта оснований опытных фундаментов района г. Улан-Батора. Зависимость коэффициента морозного пучения грунта основания Sf от объемной влажности и давления может быть выражена следующей формулой [2]:
Sf.pг= 0,216рл^ - 0,0115 - 0,0615с (10)
Установленная зависимость (10) позволяет прогнозировать величину деформации промерзающего основания по значениям естественной влажности и плотности грунта в зависимости от величины внешнего давления по подошве малозаглубленного фундамента:
^ = ^.рг ■ ^ (11)
где hfi - толщина промерзающего слоя грунта в пределах расчётной глубины промерзания (4), м.
Значения перемещений фундаментов, подсчитанные по формуле (11), имеют хорошее совпадение с результатами наб-людений за опытными фундаментами в Улан-Баторе.
Используя взаимную зависимость между напряженным состоянием грунта и его влагопроводностью (коэффициентом влаго-проводности кр), уравнение (5) можно записать в следующем виде:
. _0,09/ 1ЖГ ч , 1,09
^.Р------_ ^.р )Рdhf +---Чг.р 'г, (12)
р 4 ' р гw гw
где р4 - плотность сухого грунта; р„, - плотность воды.
Влияние деформаций глубокопромерзающих пучинистых грунтов при промерзании и оттаивании на перемещение мало-заглубленных фундаментов в условиях использования песчаных подушек было исследовано д-ром З. Биндэръяа [1, 3].
sf,« =-—-—-—„^, (13)
В результате обработки многочисленных данных результатов экспериментов установлена зависимость коэффициента пучения от толщины песчаных подушек кс и их ширины подошвы Ьс, а также от размеров подошвы фундаментов Ь и внешнего давле-ния Р. Коэффициент пучения грунта основания фундаментов с песчаной подушкой можно определить по формуле
0,216р^ - 0,0115 + 0,0615с(1 - агкс )
а2 - а3 (Ь / Ьс )
где а1, а2, а3 - коэффициенты пучения, учитывающие взаимозависимость между внешним давлением и размерами подошвы фундаментов и песчаных подушек.
В данных грунтовых условиях значения этих коэффици-ентов при практических расчетах равны: а! = 0,611(Р = 200 кПа), а2 = 1,129, аъ = 0,323.
Установленная зависимость дает возможность определить перемещения фундаментов с песчаной подушкой при промерзании и морозном пучении грунтов основания в зависимости от начальной влажности и плотности грунта, внешнего давления, размеров подошвы фундамента и песчаной подушки. Автором также было предложено определить значение напряжения с с использованием методики Т.Г. Етимова [8] для многослойных грунтов.
Результаты исследований дром З. Биндэръяа доказали возможность использования методики определения величины морозного пучения грунтов в зависимости от показателей их вла-гопроводности и физических свойств. Величина деформаций промерзающих грунтов основания фундаментов с песчаной подушкой может быть установлена по формуле (12) для опре-деления деформаций морозного пучения грунтов основания фундаментов с песчаной подушкой.
Выводы
Результаты расчета величин деформаций морозного пуче-ния с использованием предложенных двух методик дали хоро-шую сходимость с результатами наблюдений за перемещениями малозаглублен-ных фундаментов с песчаной подушкой и без нее.
Это показывает о бесспорной возможности использования методик прогноза величины морозного пучения в расчете и проектировании малозаглубленных фундаментов в промерзаю-щем, пучи-нистом грунте оснований по II группе предельных состояний при отсутствии и использовании песчаных подушек под фундаментом.
Результаты исследований показали возможность уменьше-ния величины морозного пучения путем увеличения толщины песчаных подушек на основе допускаемых значений величин деформаций промерзающих грунтов основания зданий и сооружений.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биндэръяа З. Прогноз величины деформации морозного пучения грунтов основания, включающего песчаную подушку, по величине коэффициента морозного пучения подстилающего грунта: Учёные записки Монгольского технического университета (Mongolian Technical University, Scientific transations), №3 (25). -Улан-батор, 1996.
2. Карлов B.Д., Батхуяг Б. Влияние напряженного состояния на пучи-нистые свойства грунта и прогноз величины деформаций промерзающего основания ма-лозаглубленного фундамента Использование слабых и мерзлых грунтов в качестве основания сооружений. - Ленингр. инж.-строит. ин-т. - Л., 1991. - С. 152-156.
3. Карлов B.Д., Биндэръяа З. Прогноз деформаций промерзающего грунта основания малозаглубленного фундамента на несчаной подущке. Возведение и реконструкция фундаментов на слабых грунтах// Межвузовский тематич. сб. тр. СПбИСИ. - С-Пб, 1992. - С. 58-64.
4. Карлов B.Д. Принципы проектирования фундаментов нри использовании в основаниях сооружений сезоннопромерзающих грунтов. Геотехника: наука и практика/(Международная конф-ция) //Сб. науч. тр. СПбГА-сУ. - С-Пб, 2000. -C.15-24.
5. Карлов B.Д. Об оценке морозной пучинистости пылевато-глинистых грунтов. Основания и фундаменты гражданских и промышленных зданий (в условиях слабых и мерзлых грунтов)//Межвузовский тематический сб. тр. ЛИСИ - Ленинград, 1990
6. Пузаков Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. - М.: Высшая школа, 1973.
7. Karlov V.D. A technique to evaluate heaving properties of soils and verifying its reliability based on field observation data. Proceedings of the 3-d international symposium on field measurements in geotmechanics. - Oslo, 1991. - P. 307-313.
8. Етимов Т.Г. О расчете осадки фундаментов на двуслойном осно-вании, состоящем из слоя неска на слабом грунте. Механика грунтов основания и фунда-менты//Сб. науч. тр. ЛИСИ. - JL, 1973. - №78. - С. 28-37. НІШ
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Карлов B.Д. - Санкт-Петербургский государственный архитектурностроительный университет
Биндэръяа З., Батхуяг Б. - Монгольский государственный университет науки и технологии. E-mail: [email protected]
