Введение к работе
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 (hj), равная подъему дневной поверхности за период промерзания и интенсивность пучения (J), характеризующая пучение элементарного слоя. Морозное пучение фунтов - это сложное физико-химическое явление, зависящее как от свойств самого фунта, так и от климатических факторов, оказывающих на него внешнее воздействие. К числу факторов, влияющих на пучини-стость фунта, относятся: дисперсность, минералогический состав, плотность, влажность, уровень фунтовых вод и количество жидких атмосферных осадков, а также температурные воздействия и давление, передаваемое на промерзающий фунт. Воздействие всех этих факторов тесно связано, что обуславливает большие трудности, возникающие при расчете характеристик (деформаций и сил) морозного пучения фунтов, при их комплексном учете.
Гогентоглер Ч.А., Киселев М.Ф., Орлов В.О. разработали критерии морозоопасности фунтовых систем, исходя из содержания пылева-
то-глинистых фракций. Причины миграции влаги объясняли Ана-нян А.А., Бесков Г., Ершов Э.Д., Тебер С, Тютюнов И.А., Фельдман Г.М., Чистотинов Л.В., 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-^ижается^о-мереишжщешя_^гог/_Гв ту или иную сторону. Для пыле-ватых грунтов с влажностью 25... 30%1фитическое~зТШение-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 Н.Н., Орлов В.О., Пусков В.И., Толкачев Н.А., 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 Н.А., 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:
-
подбор оптимальных размеров врезных песчаных подушек в условиях глубокого сезонного промерзания и близкого расположения грунтовых вод;
-
оценка влияния противопучинного экрана, устраиваемого около фундамента (метод блочной локализации), на величину его выпучивания;
-
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:
-
разработан метод расчета малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах, включающий применение модели двухслойного основания и криволинейного характера зависимости величины пучения от нагрузки;
-
произведена экспериментальная проверка работы малозаглуб--ирняигхч^уппямр.т-опмя^яррлли'х тсматлх ппдущках В УСЛОВИЯХ глубо-кого сезонного промерзания;
-
разработан лабораторный метод определения внутренних сил смерзания песчаного фунта как аналога сопротивления смещению мерзлого грунта относительно граней фундамента;
-
проведено исследование деформаций выпучивания фундаментов касательными силами с учетом влияния противопучинного экрана;
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
