Введение к работе
Актуальность темы. Большая часть территории России характеризуется отрицательной среднегодовой температурой и сложена вечномерзлыми грунтами. При строительстве в этих районах в XX столетии основным был принцип сохранения мерзлого состояния основания в течение всего времени существования здания и сооружения (принцип Г). Вместе с тем, к настоящему времени значительная часть объектов Севера и Сибири претерпела большие деформации, вызванные оттаиванием оснований. Эта тенденция будет возрастать ввиду неоспоримого потепления климата, темпы которого по некоторым прогнозам могут достигнуть 0,1 град/год.
Помимо районов, сложенных вечномерзлыми грунтами, мерзлое состояние основания зданий и сооружений может иметь место в любых географических условиях. Так, это может возникать во время строительства вследствие локального промораживания грунтов при неправильном ведении работ. Для промышленных холодильников, расположенных в средней полосе России при выходе из строя систем обогрева полов промораживание оснований может достигать глубины 6 м и более.
Оттаивание мерзлых оснований сопровождается деформациями надземных конструкций, достигающими в отдельных случаях десятков сантиметров. Для связных грунтов, ввиду резкого падения прочности при переходе из мерзлого состояния в талое, возможны случаи потери устойчивости основания.
Какизвестно, одним из наиболее эффективных способов стабилизации осадок основания при его положительных температурах является способ инъекционного закрепления грунтов. В последние годы были разработаны принципы закрепления связных оснований, основанные на методе высоких давлений или гидроразрыва, когда в массиве инъектируются только трещины. Наиболее целесообразным с точки зрения упрочнения основания, а также оптимальным из экологических соображений является инъекционный раствор на основе цемента.
По сопротивляемости внешним нагрузкам мерзлые грунты любого гранулометрического состава, ввиду цементирующего влияния льда, следует рассматривать как связные. Прочность на разрыв высокотемпературных мерзлых грунтов относительно невелика, в связи с чем высокие давления, практикуемые при гидроразрыве и инъекции, могут вызывать образование в них трещин. В случае заполнения образовавшихся трещин цементным раствором тепло, выделяемое в ходе его твердения, может обеспечить перевод основания из мерзлого состояния в талое. Таким образом, стабилизация мерзлых фунтов с помощью инъекции цементного раствора в режиме, гидро-
разрыва является принципиально возможной, а |лшв.<|щщиДМ1НИ1ДЯе ства
JTJjjbHf
3 ' "
потенциально аварийных объектов весьма актуальной.
Цель работы заключается в разработке методики закрепления мерзлых, потенциально оттаивающих связных грунтов основания зданий и сооружений с помощью инъекции цементного раствора, закачиваемого в режиме гидроразрыва.
Для достижения указанной цели в диссертации необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать особенности тепловыделения растворных образцов с различными добавками.
-
Исследовать особенности распространения температурных полей в средах с фазовыми превращениями при наличии в массивах источников тепла.
-
Рассмотреть случаи общего и местного разогрева основания с целью приведения его в состояние, при котором возможно осуществление гидроразрыва.
-
Практически исследовать особенности гидроразрыва пластичномер-злых грунтов.
Методика исследований. Для решения поставленных задач выполнялись физические эксперименты (в лабораторных и полевых условиях), а также математическое моделирование. Лабораторные опыты проводились с малыми образцами - как раствора, так и грунта. Полевые эксперименты по инъекции в мерзлые грунты выполнялись на реальном объекте - промышленном холодильнике. Численное моделирование производилось по исследованию температурных полей при различных схемах разогрева низкотемпературных мерзлых грунтов, а также при внедрении в массив цементного раствора.
Научная новизна работы заключается в установлении возможности и целесообразности инъекционного закрепления высокотемпературных связных мерзлых грунтов с помощью метода гидроразрыва, в исследовании процессов распространения температурных полей в грунтах, для которых характерны фазовые превращения в спектре отрицательных температур при различных тепловых возмущениях, в выявлении особенностей гидроразрыва и инъекции раствора в мерзлые грунты в реальных производственных условиях.
Практическая значимость работы обусловлена масштабностью задач по укреплению оснований многих зданий и сооружений Севера и Сибири ввиду глобального потепления и деградации мерзлого состояния оснований. Разработанная технология может быть использована для укрепления мерзлых, потенциально оттаивающих оснований объектов, расположенных в любых географических зонах. Для низкотемпературных оснований промыш-ленныххолодильников, практическая значимость работы заключается в ме-
тодике отогрева основания, технологии установки манжетных труб и компоновке дренажных устройств, совмещенных со скважинами глубинных нагревателей.
На защиту выносятся:
анализ существующих методов стабилизации оттаивающих оснований;
рецептура обойменного и инъекционного растворов при инъекции в режиме гидроразрыва через манжетные трубы;
результаты численных экспериментов по моделированию распространения температурных полей в связных оттаивающих грунтах с фазовыми превращениями в спектре отрицательных температур;
конструктивное решение по компоновке дренажных устройств, совмещенных со скважинами глубинных нагревателей, что обеспечивает снижение порового давления в оттаивающем основании.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на 59 и 61 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов СПбГАСУ в 2002 и 2004 гг., а также международной научно-практической конференции в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии в 2002 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, 2 приложений, 1 таблицы и 40 рисунков. Список литературы включает в себя 112 наименование. Общий объем диссертации 140 стр., в том числе 13 стр. приложений.
