Согласно современным представлениям, формирование давления морозного пучения, нормального к подошве штампа, связано с явлением тепло– и массопереноса и дифференциации грунта на ледяные и минеральные агрегаты. Так, Н.В. Демьянков указывал, что эти усилия могут достигать 200 МПа. М.И. Евдокимов–Рокотовский расчетным путем определил давление растущего кристалла льда – 720 МПа (7200 кгс/см2). А.М. Пчелинцев выращивал шлиры льда при давлении 10 МПа (100 кгс/см2). Н.Н. Морарескул зафиксировал относительную нормальную силу пучения в лабораторном опыте 1 МПа, а Н.А. Толкачев – 7,5 МПа. В полевых условиях В.О. Орлов зафиксировал величину нормальных сил - 5-6 МПа. По лабораторным данным Ф. Рада и Д. Ортли нормальные силы достигали 20 МПа. Интересные многолетние исследования формирования нормальных сил морозного пучения в полевых условиях по подошве штампа 1х1 м выполнили в 1977 г. Г.В. Натров, А.А. Киселев, В.Г. Тишин. Под штампом находился мощный слой глины с влажностью 0,37 и высоким УГВ 1,5-1,8 м. Система анкеров с упорной двутавровой балкой исключала перемещение штампа вверх. Максимальная величина нормальных сил морозного пучения составила в первый и последующие годы соответственно: 400, 226, 363, 527 кПа. Глубина промерзания соответственно по годам достигала: 205, 212, 218, 210 см. Как видно, на одной и той же площадке при отсутствии, за указанные годы, заметных аномалий климата, наличии неизменного оборудования и использовании известной надежной методики испытаний величина нормальных сил изменяется из года в год в 1,5-2 раза и более. Как видно, значения нормальных сил пучения по данным экспериментов ряда исследователей отличаются до трёх порядков. Такой разброс данных объясняется рядом причин. Так были испытаны разные грунты с различными физическими свойствами. Отличались приёмы экспериментирования и сами установки. Однако даже на одной и той же экспериментальной площадке в разные годы нормальные силы пучения изменялись в 1,5-2 раза и более. Причины столь значительной изменчивости сил пучения до настоящего времени окончательно не изучены. Недопущение деформаций осуществляется различными способами. Так, Н.Н. Морарескул использовал дискретное нагружение образца грунта путём всё возрастающих нагрузок. С. Тебер, Н.А. Толкачев, Т. Такачи, Х. Сюзерлэнд и др. измеряли напряжение пучения с помощью динамометра. В.О. Орлов фиксировал нормальные сил пучения с помощью электромеханического динамометра. Все указанные способы имеют недостатки. При дискретном нагружении в ходе опыта неизбежны ошибки. Так, использование динамометров основано на известной допустимой величине перемещений присущей конкретному динамометру. Применение жестких динамометров с минимальной величиной допустимых перемещений способствует уменьшению погрешности измерений. Однако мы полагаем, что более перспективно использование в опытах постоянных нагрузок, когда нагрузка в ходе пол
Сложность и многофакторность процесса промерзания и пучения затрудняют создание математической модели, дающей возможность достаточно точно прогнозировать развитие этого явления. Существующие методики математического моделирования процесса тепло– и влагопереноса в промерзающих влажных дисперсных грунтах, учитывающие десятки факторов, в ряде случаев дают значительные погрешности, что, вероятно, связано с изменчивостью свойств грунтов в пространстве, несовершенством аппарата моделирования, необходимостью уточнения входных параметров, сложностью определения некоторых физических величин.
Материалы полевых испытаний свидетельствуют о том, что величина нормальных сил морозного пучения грунтов одного вида, состава, естественного сложения (в конкретной точке натуры) может изменяться из года в год в 1,5-2 раза и более, в зависимости от климатических, гидрогеологических и других условий, соответствуя нормальному закону распределения Гаусса-Лапласа. При наличии сложных напластований грунтов различных классов, групп, видов и разновидностей (ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация) закономерности формирования нормальных сил морозного пучения еще более сложны, что связано с особенностями влагопереноса, сегрегационного льдовыделения, усадки зон иссушения в неоднородных грунтах. В зависимости от случайного сочетания чередующихся слоев различных грунтов, возможных аномалий климата (засуха), наличия низкого уровня грунтовых вод и т.д. величина нормальных сил пучения (ввиду отсутствия, в какой-то конкретный год, условий для их развития) может быть минимальной, т.е. незначимой для нормальной эксплуатации сооружения. В другой год при изменении температурно-влажностного режима промерзания грунта основания в результате обильных атмосферных осадков осенью и наступления суровой зимы возросшие силы пучения могут вызвать сверхнормативные деформации несущих конструкций и нарушить эксплуатационную надежность сооружения.
Экспериментальным исследованиям нормальных сил морозного пучения посвящены работы многих ученых: Н.Н. Морарескула (1950 г.) под научным руководством Н.А. Цытовича; Б.И. Далматова (1959); В.О. Орлова (1962); Н.А. Толкачева (1963); Н.А. Перетрухина (1967); В.Б. Швеца (1969); Б.Н. Мельникова (1969); В.И. Пускова (1970); М.Ф. Киселева (1971); В.Д. Карлова (1972); Н.А. Цытовича (1973); Г.В. Натрова, А.А. Киселева, В.Г. Тишина (1977); О.Р. Голли (1985); В.Я. Лапшина (1996) и др.
Известно, что нормальные силы морозного пучения действуют по вертикали перпендикулярно подошве фундамента по направлению снизу - вверх, а давление под подошвой фундамента от сооружения, направленное сверху - вниз, препятствует развитию деформаций морозного пучения. В зависимости от вида, состава, влажности промерзающего грунта, категории пучиноопасности, сжимаемости подстилающих слоев грунта, жесткости строительных конструкций, степени недопущения деформаций и т.д. величина нормальных сил варьирует в большом интервале. Так, по данным физики, при полной невозможности расширения воды, при замерзании в замкнутом металлическом сосуде, кристаллизационное давление достигло 2115 кгс/см2 при температуре минус 22 град. Ц. Очевидно, что столь громадное давление может реализоваться лишь в жестком замкнутом сосуде. При промерзании грунтов в натуре величина формирующихся нормальных сил пучения существенно зависит от степени недопущения деформаций. Так, при первом появлении деформаций пучения (перемещении вверх незагруженной поверхности грунта) нормальные силы близки к нулю. При пучении поверхности грунта, загруженной постоянной статической нагрузкой, деформации пучения снижаются, а величина нормальных сил приобретает конечное значение, которое несколько превышает действующую статическую нагрузку.
Измерив значения сверхнормативного раскрытия сквозных трещин в монолитных перекрытиях (0,5-0,7 мм) и зная примерную величину пучения фундаментов, можно расчетным путём (задавая перемещения фундаментов вверх) определить с помощью программы Лира значение силы морозного пучения F, нормальной к подошве фундамента, которая повредила железобетонный каркас здания.
Как видно, удельное нормальное давление пучения можно определить только по экспериментальным данным, но фактически в процессе промерзания основания 16- этажного здания никакие измерения деформаций и сил пучения не выполнялись. Поэтому величины фактически реализованных перемещений вверх (пучения) строительных конструкций и значения сформировавшихся нормальных сил пучения неизвестны. Авторы настоящего заключения были привлечены к обследованию поврежденных строительных конструкций лишь в мае, когда шел процесс оттаивания и осадки основания фундаментов. В связи с этим было принято решение путем геодезических измерений определить значения осадок фундаментов при оттаивании. Зная величины осадок оттаивающего основания фундаментов, можно приближенно оценить значения перемещений вверх фундаментов, имевших место при вредном силовом воздействии на подошву фундаментов нормальных сил морозного пучения. На рис. 2 и 3 представлены графики затухающих летних осадок фундаментов в осях В-3 и В-4, происходивших при оттаивании основания. Как видно, максимальные осадки, а следовательно, и максимальное пучение обнаружено у фундамента в осях В-3. Именно в этом месте сформировались максимальные силы морозного пучения. Поэтому наши дальнейшие рассуждения будут касаться этого наиболее деформированного фундамента.
Поскольку боковая поверхность промороженных фундаментов контактирует с непучинистым материалом, то нет условий для формирования касательных сил морозного пучения. Следовательно, не нужна проверка устойчивости этих фундаментов на действие отсутствующих касательных сил морозного пучения. В нашем случае деформации строительных конструкций (перемещение вверх фундаментов, появление сверхнормативных трещин в железобетонных монолитных перекрытиях) вызваны вредным силовым воздействием нормальных сил морозного пучения. Устойчивость фундаментов на действие нормальных сил морозного пучения проверяется по формуле:
При обследовании подвала здания был откопан шурф у столбчатого фундамента колонны в осях В-3. Толщина слоя твердомерзлого суглинка под подошвой фундамента по замерам 20.05.99 г. примерно составила 0,5 м, а максимальная глубина промерзания от пола подвала, вероятно, превысила 2 м. В верхней трети промерзшего твердомерзлого слоя грунта под подошвой фундамента сформировалась в основном массивная криогенная текстура, а в нижней части в процессе сегрегационного льдовыделения образовалась слоистая криогенная текстура.
Согласно данным инженерно-геологических изысканий, основанием фундаментов обследуемого здания является 4-5,3 м толща аллювиальных коричневых глины и суглинка от твердой до тугопластичной консистенции с тонкими редкими линзами мелкого песка. Ниже толщи аллювиальных глинистых грунтов расположен 1-1,2 м слой серого аллювиального крупного песка, который подстилается сильнотрещиноватым скальным грунтом – габбро зеленовато-серого цвета пониженной прочности. В целом гидрогеологические условия площадки характеризуются как сложные, поскольку участок расположен в пределах развития двух водоносных горизонтов – горизонт, приуроченный к трещиноватой зоне скальных грунтов (зеркало находится на глубине от 4,6 до 6,0 м), и горизонт, приуроченный к аллювиальным отложениям (УПВ на глубине 2,2-3,0 м). Участок является подтопленным вследствие превышения приходных статей водного баланса над расходными. Высокий уровень подземных вод (на глубине 2,2-3,0 м от планировочной отметки земли) относится к «верховодке», которая образуется за счет утечек из водонесущих инженерных коммуникаций, располагаемых вблизи. В многоводные годы при таянии снега и обильных дождевых осадках возможно повышение УПВ на 1-1,5 м.
Вредное силовое воздействие пучиноопасных грунтов основания на монолитные железобетонные несущие конструкции
Компании. Эффективные решения
Новый Уральский строитель 5 (112) - 2011
» » » »
Издание РООР Союза строителей Урала
Адрес редакции: 620075, Екатеринбург, ул. Бажова, 79. Телефон: (343) 287-31-50, (343) 287-34-60
Ежемесячный специализированный журнал Новый Уральский строитель
Архив - журнал Новый Уральский строитель
