Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса о влиянии промерзания-оттаивания грунтов на подземные сооружения 9
1.1. Деформации, возникавшие в вертикальных стенах подземных сооружений при промерзании-оттаивании грунтов 9
1.2. Экспериментальные исследования давления морозного пучения грунтов в лабораторных и полевых условиях 17
1.3. Теоретические исследования давления морозного пучения грунтов при промерзании 28
1.4. Состояние вопроса о влиянии давления морозного пучения грунтов на стены подземных сооружений 30
1.5. Изменение деформационно-прочностных свойств грунтов при оттаивании 35
1.6. Цель и задачи исследования 39
2. Методика экспериментального изучения процесса промерзания-оттаивания грунтов за подпорными стенами 41
2.1. Методика исследования процесса промерзания-оттаивания грунтов за подпорной стеной в полевых условиях 41
2.1.1 .Инженерно-геологические условия опытного участка 41
2.1.2.Обустройство опытного участка и приборы для проведения полевого эксперимента 45
2.2. Методика исследования процесса промерзания-оттаивания грунтов в лабораторных условиях 55
2.2.1. Характеристика и подготовка исследуемого грунта к экспериментам 55
2.2.2. Экспериментальная установка и используемая аппаратура для проведения лабораторных опытов 57
3. Натурные исследования температурного режима и напряженно-деформируемого состояния массива грунта за подпорной стеной при промерзании-оттаивании 61
3.1. Изменение горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта за подпорной стеной в зимний период 2001-2002 гг. 61
3.1.1 .Изменение температуры грунта за подпорной стеной 61
3.1.2.Изменение горизонтального давления морозного пучения грунта за подпорной стеной 64
3.2. Изменение горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта за подпорной стеной, а также деформирование подпорной стены в зимний период 2002-2003 гг. 73
3.2.1 .Изменение температуры грунта за подпорной стеной 73
3.2.2.Изменение горизонтального давления морозного пучения грунта за подпорной стеной 79
3.2.3.Деформирование подпорной стены и грунтового массива за ней 85
3.3 .Изменение горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта за подпорной стеной, а также деформирование подпорной стены в зимний период 2003-2004 гг. 89
3.3.1 .Изменение температуры грунта за подпорной стеной 89
3.3.2.Изменение горизонтального давления морозного пучения грунта за подпорной стеной 94
3.3.3. Деформирование подпорной стены и грунтового массива за ней 101
3.4. Выводы 102
4. Лабораторные исследования деформации и давления морозного пучения суглинка и осадки при его оттаивании 103
4.1. Изменение напряженно-деформируемого состояния исследуемого грунта при промерзании 104
4.1.1 .Изменение объема промерзающего грунта во времени 109
4.1.2.3ависимость интенсивности пучения грунта от влажности и плотности 112
4.1.3.Изменение давления морозного пучения грунта при промерзании 120
4.1.4.Выводы 130
4.2. Исследование деформирования грунта при оттаивании 132
4.2.1 .Изменение объема оттаивающего грунта во времени 135
4.2.2.3ависимость осадки оттаивающего грунта от влажности и плотности 138
4.2.3.Выводы 140
5. Методы оценки давления, действующего на подпорные стены в процессе промерзания- оттаивания грунтов 141
5.1. Механизм развития давления грунта за подпорными стенами в процессе промерзания 141
5.1.1. Взаимодействие подпорной стены с промерзающим грунтом 143
5.1.2. Методика расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорные стены 150
5.2. Оттаивание грунтов, находящихся за подпорными стенами 161
5.2.1. Методика расчета горизонтального давления, действующего на подпорные стены в процессе оттаивания грунта 163
5.2.2. Расчет осадки оттаивающего грунта за подпорной стеной 166
Заключение 168
Литература 170
- Экспериментальные исследования давления морозного пучения грунтов в лабораторных и полевых условиях
- Методика исследования процесса промерзания-оттаивания грунтов в лабораторных условиях
- Изменение горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта за подпорной стеной, а также деформирование подпорной стены в зимний период 2002-2003 гг.
- Методика расчета горизонтального давления, действующего на подпорные стены в процессе оттаивания грунта
Введение к работе
Актуальность работы. При строительстве подпорных стен в районах распространения сезоннопромерзающих пучшшстых грунтов встает вопрос учета усилий, возникающих при промерзании - оттаивании грунтов. Как показывает опыт строительства подземных сооружений, невыполнение специальных мероприятий: замена пучинистого грунта, применение теплоизоляции и др., исключающих или снижающих усилия от промерзания - оттаивания пучинистых грунтов, приводит к возникновению недопустимых деформаций, приводящих к частичному или полному разрушению сооружений.
Вопросу строительства на пучинистых грунтах уделялось большое внимание, но в основном исследователи изучали вертикальные силы морозного пучения и деформации в этом направлении применительно к фундаментам мелкого заложения. Горизонтальное давление, действующее на стены подземных сооружений при промерзании — оттаивании грунтов, остается мало изученным. Не известны количественные величины и не разработаны методы учета этого давления, что препятствует принятию экономичных проектных решений. С другой стороны, недооценка давления, возникающего при промерзании - оттаивании пучинистого грунта, ведет к повреждению стен подземных сооружений и требует дополнительных затрат на их восстановление.
Таким образом, оценка величины и исследование закономерностей развития горизонтального давления, действующего на стены подземных сооружений (подпорных стен) в результате промерзания — оттаивания грунта, а также разработка методики его определения и учета является одним из мало исследованных вопросов и требует дальнейшего изучения.
Целью диссертационной работы являлось комплексное исследование температурного и напряженно-деформируемого состояния грунта при промерзании - оттаивании и разработка методики расчета горизонтального давления за подпорными стенами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методику и экспериментальные установки, позволяющие в полевых и лабораторных условиях исследовать горизонтальное давление, возникающее при сезонном промерзании и последующем оттаивании грунтов за подпорными стенами.
-
Провести экспериментальное изучение процесса промерзания - оттаивания грунтов за подпорными стенами в натурных условиях с измерением величины горизонтального давления и температуры грунта, деформаций стен и массива грунта за ними.
-
Провести лабораторные исследования для получения дополнительных сведений об особенностях развития давления и деформации морозного пучения, осадки оттаивания, количественной оценки их значений, в зависимости от влажности, плотности, условий промораживания (открытая система — с подтоком воды и закрытая система - без подтока воды) для грунта опытного участка.
-
С использованием полученных фактических данных разработать методику расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорные стены.
5. Оценить влияние давления оттаивающего грунта на подпорные стены.
Методика исследований включала: полевые замеры горизонтального давления и
температуры воздуха и грунта, деформаций подпорных стен и грунта за ними на организованном опытном участке открытого транспортного тоннеля в г. Сергиев — Посад; лабораторные измерения давления и деформации морозного пучения, а также осадки оттаивания грунта, в зависимости от плотности, влажности, условий промораживания применительно к подпорным стенам; анализ, обобщение полученных результатов и разработка методики расчета горизонтального давления морозного пучения и давления оттаивающего грунта.
Достоверность результатов обеспечена трехлетними замерами, проведенными в полевых условиях и длительными лабораторными экспериментами (более 100 опы-. тов) с использованием известных и многократно апробируемых другими авторами измерительных приборов и методик Экспериментально установленные зависимости согласуются с данными расчетов и не противоречат экспериментально — теоретическим исследованиям других авторов, работающих по смежным специальностям.
Защищаемые положения.
-
Методика и результаты полевых исследований температурного режима грунта за подпорными стенами и горизонтального давления, действующего на подпорные стены при промерзании — оттаивании грунта.
-
Методика лабораторных измерений давления и деформации морозного пучения, а также осадки оттаивающего грунта.
-
Методика расчета количественной оценки горизонтального давления морозного пучения и дополнительного давления оттаивающего грунта.
Научная новизна работы. В полевых условиях проведены замеры горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорные стены и в массиве грунта, исследовано влияние температурного режима и глубины промерзания грунта на горизонтальное давление морозного пучения, получены экспериментальные зависимости горизонтального давления морозного пучения грунта от температуры и глубины промерзания грунта. Автором разработана методика расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, учитывающая сжимаемость талых слоев грунта и миграцию влаги из талого грунта к фронту промерзания. Автором предложена методика учета дополнительного давления оттаивающего грунта, действующего на подпорные стены в процессе оттаивания массива грунта в зазоре между стеной и мерзлым,еще не оттаявшим грунтом.
Личный вклад автора. В основу работы положены экспериментальные и аналитические материалы, полученные автором за последние 5 лет.
Практическое значение. Разработанные методики оценки горизонтального давления морозного пучения грунта и давления оттаивающего грунта могут быть использованы при проектировании стен подземных сооружений и ограждений котлованов в районах с сезонным промерзанием — оттаиванием грунтов. Это позволит обеспечить надежность их расчета по грунту и материалу и получить существенный экономический эффект за счет увеличения срока эксплуатации. Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации подпорных стен открытого транспортного тоннеля, расположенного в г. Сергиев — Посад.
Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научных форумах: Четвертая традиционная научно-
практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», МГСУ — 2001 г.; Международная научно — практическая конференция «Горная промышленность и горные науки на рубеже веков», Москва — 2002 г.; Международная конференция «Криосфера нефте-' газоносных провинций», Тюмень - 2004 г.; Третья конференция геокриологов, МГУ -2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы- из 219 наименовашш. Работа содержит 190 страниц, 68 рисунков и 9 таблиц.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю K.T.H. Г.И. Бондаренко, д.г.-м.н. В.Г. Чевереву, сотрудникам НИИОСП им. Н.М. Герсеванова: д.т.н. |В.О. Орлову|, ют.н. В.Е. Конашу, клг.н. И.В. Колыбину, кл-.н. О.Н. Исаеву за полезные советы и внимание, способствовавшие выполнению данной работы, а также А А. Чапаеву, И.Н. Шуганову, М.Н. Царапову и Л.С. Михайловой за помощь в проведении лабораторных исследований.
Экспериментальные исследования давления морозного пучения грунтов в лабораторных и полевых условиях
Первые сведения об изучении явления морозного пучения грунтов и методах борьбы с ним относятся к концу первой половины XIX века. Необходимость изучения пучения возникла в 80-90-е годы XIX века в связи со строительством железнодорожной магистрали в Сибири. Основу изучения физической сущности процессов пучения положили русские инженеры: Лопатин И.А., Штукенберг В.И. и Войслов С.Г. [26].
В дальнейшем по результатам экспериментальных исследований деформаций пучения промерзающих грунтов в лабораторных и природных условиях опубликован целый ряд работ: [1, 6-7,9,19, 22-25,28-29, 35-41, 54, 56, 60-66, 68-69, 71, 73-75, 81-85, 90-91, 94-96, 99, 105-108, 111, 113-117, 120, 122, 135, 139, 142-145, 149, 151, 161, 163, 167, 170, 173, 175, 177-179, 181, 187-188, 190-192,198, 203-207,209, 213-217 и др.]. Многие работы посвящены изучению влияния на развитие процессов пучения отдельных факторов, таких как: минеральный состав и физические свойства грунта, условия промораживания (открытая и закрытая система), температурный режим, температурные сокращения, конструкции фундаментов и др. В основном исследования посвящены влиянию промерзания грунта на фундаменты мелкого заложения [36-38, 47-52, 58, 72, 76, 79, 83-86, 92, 97, 104, 112-113, 118-120, 124-128, 136, 138, 141, 163-165, 168, 176, 183-184, 187, 194-197, 208-212, 218-219 и др.]. Показано, что заложение фундаментов в пределах слоя промерзающего морозоопасного грунта неизбежно вызывает под фундаментом развитие нормальных сил пучения, в результате действия которых сооружение способно подвергаться вертикальным, нередко неравномерным перемещениям до предельного значения, равного величине пучения грунта.
Исследования, проводимые ранее по изучению морозного пучения грунтов и его влияния на фундаменты сооружений, в основном относятся к касательным и вертикальным нормальным силам морозного пучения грунтов. Изучению горизонтальных нормальных сил морозного пучения грунтов посвящено мало работ, хотя актуальность изучения этого вопроса отмечают многие ученые. Одним из основных и достоверных методов исследования процесса морозного пучения являются лабораторные исследования, позволяющие задавать необходимые условия проводимого эксперимента. Рассмотрим подробнее аспекты изучения деформаций и нормальных сил пучения промерзающих фунтов в лабораторных условиях.
Одним из первых изучением нормальных сил морозного пучения в лабораторных условиях занялся Морарескул Н.Н. [103]. Он промораживал образцы суглинка в цилиндрах без возможности бокового расширения, с подтоком и без подтока воды снизу, с условием исключения смерзания грунта со стенками цилиндра, при температурах воздуха в камере -А, -8, -12 С. Результаты опытов показали, что при промерзании глинистые грунты развивают давление морозного пучения от 0,5 до 1,0 МПа, находясь в зависимости от температуры и времени промерзания, а также от сжимаемости нижележащего подстилающего, еще не промерзшего слоя грунта.
Гольдштейн М.Н. [41] проводил лабораторные исследования морозного пучения грунтов в одометрах. Исследуемыми грунтами были суглинки и глины при консистенции, соответствующей пределу текучести. Промораживание образцов проводилось при двух температурах: -1 и -5С, под нагрузкой -0,2 МПа и без нагрузки. Опыты показали, что наибольшие деформации оказались у глины при температуре -5С, промерзавшей без нагрузки, и составили 0,279 мм; под нагрузкой и той же температуре - 0,164 мм. Исследованиями установлено, что нагрузка на образец была недостаточной для прекращения пучения, однако последнее заметно снизилось. При исследовании деформаций морозного пучения образцов под давлением в лабораторных условиях Гольдштейн М.Н. определил величину внешнего давления на промерзающий образец, равную 0,3 МПа, при которой он не пучится. Гольдштейном М.Н. отмечено, что приложение нагрузки к промерзающему грунту снижает морозное пучение.
Исследование сил пучения в лабораторных условиях проводилось Толкачевым Н.А. [164]. Напряжения, которые возникают в зоне промерзания при переходе воды в лед, он назвал "относительными нормальными силами", соответствующими нагрузке, препятствующей перемещению грунта. Исследования осуществлялись на установке в виде балочного пресса при температурах -3; -5; -12С с предварительно уплотненными образцами грунтов. Величина деформаций пучения образцов допускалась не более 0,05 см. Если деформация превосходила 0,05 см, на поверхности образца прессом добавлялась нагрузка, уравновешивающая давление пучения. Толкачевым Н.А. были установлены средние значения относительных нормальных сил пучения для суглинка, супеси и пылеватого песка. Так, при промерзании суглинка в условиях открытой системы эти силы изменялись от 0,07 до 0,40 МПа. Для определения высоты и скорости пучения грунта Толкачев Н.А. проводил лабораторные опыты на образцах суглинка при температуре воздуха -4С. Грунт промораживался под нагрузкой 0,025 и 0,050 МПа, величина пучения при этих нагрузках соответственно составила 1,21 и 0,44 см, скорость пучения составила 3,0 и 1,1 мм/сут. Опыты показали, что интенсивность роста нормальных сил пучения зависит, в основном, от температуры, при которой происходит промерзание грунта, высоты и скорости пучения поверхности, находящейся под нагрузкой, а также величины внешней нагрузки и площади, на которую эта нагрузка действует. В лабораторных условиях Толкачев Н.А. исследовал изменение нормальных сил пучения, в зависимости от площади загружения. Образцы грунта в цилиндрах диаметром 10 см и высотой 20 см промораживали сверху, после промерзания грунта на 3- -5 см на него укладывали металлический штамп: в первом цилиндре диаметр штампа был равен 4,0 см, во втором - 6,2 см и в третьем - 9,0 см. Напряжения от нормальных сил пучения фиксировались балочным прессом. В первом цилиндре относительные нормальные силы не превышали 0,31 МПа, во втором - 0,47 МПа, в третьем - 0,58 МПа. В результате исследований Толкачев Н.А. пришел к выводу, что на единицу площади меньшего фундамента действуют большие силы.
Методика исследования процесса промерзания-оттаивания грунтов в лабораторных условиях
Для исследования процесса промерзания-оттаивания грунтов в лабораторных условиях использовался верхнечетвертичный пролювиальный суглинок нарушенного сложения, отобранный на опытном участке подпорной стены открытого транспортного тоннеля, расположенного в городе Сергиев Посад Московской области. Изучение состава, строения и физических свойств грунта проводилось в НИИОСП, результаты исследований приведены в табл. 2.4 и 2.5. Подготовка к экспериментам образцов грунта проводилась в следующей последовательности: грунты высушивали до воздушно - сухого состояния, затем измельчали и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм, в эксикаторе к грунту добавляли воду и доводили его до требуемой, по условиям эксперимента, влажности. Для получения заданного значения влажности в грунт добавляли расчетное количество воды Qp, определяемое в соответствии с ГОСТ 30416-96 «Лабораторные испытания» [45] по формуле: где тг - масса исследуемого грунта при влажности W, г; W3uW - соответственно заданная и исходная влажность грунта, д.е.; pw - плотность воды, равная 1 г/см . Для задания необходимой плотности в объеме рабочего кольца предварительно определялась масса грунта, которую необходимо поместить в обойму по формуле ГОСТ 30416-96 «Лабораторные испытания» [45]: где VK - внутренний объем рабочего кольца, см3; Pd3 - плотность сухого грунта, г/см . После подготовки образцов грунта производилась его укладка в обойму, которая осуществлялась слоями по 1,5+2,0 см с уплотнением для создания необходимой плотности. На уложенный в обойму грунт передавалась нагрузка интенсивностью от 100 до 400 г/см , что соответствует глубине заложения грунта от 0,5 до 2,0 см. Для снижения трения грунта о внутренние стенки обоймы их смазывали вазелином. Влажность задавалась в пределах 0,17+0,24 нижняя граница влажности на 0,1-Ю,2 превышала критическую влажность начала пучения, верхняя граница соответствовала влажности на границе
У текучести. Плотность грунта задавалась в пределах 1,8- 2,1 г/см . Для определения деформации, давления морозного пучения и осадки оттаивающего грунта, а также зависимостей этих параметров от физических свойств грунта и условий промораживания (открытая и закрытая системы) использовалась универсальная установка, обеспечивающая промораживание и оттаивание образцов грунта в заданном температурном и влажностном режимах, измерение перемещений его поверхности и давления морозного пучения (рис.2.10-2.11). Установка сконструирована автором с учетом ГОСТ 28622-90 «Метод лабораторного определения степени пучинистости» [44] и приборов, разработанных другими авторами: Морарескулом Н.Н. [103], Гольдштейном М.Н. [40-41], Толкачевым Н.А. [164-165], Пчелинцевым A.M. [139], Голли О.Р. [35-36], Кимом В.Х. [81] и др. позволяет определять деформации грунта при промерзании и оттаивании в требуемом температурном и влажностном режиме, а так же давление морозного пучения грунта с помощью современных приборов. Диаметр грунтосодержащей обоймы равен диаметру кольца прибора ПРС, предназначенного для определения прочностных характеристик мерзлых и оттаивающих грунтов, поэтому после определения характеристик пучения образец грунта можно поместить в ПРС и исследовать характеристики сдвига этого грунта. В работах Швеца В.Б. [197], Далматова Б.И. [50], Фурсова В.В. [176-177] отмечается важность исследования деформаций грунтов в процессе промерзания и последующего оттаивания, что позволяет реализовать предложенная установка. Установка состоит из обоймы для грунта диаметром 112,8 мм и высотой 150 мм, поддона с водой для промораживания грунта с подтоком воды, устройства для регулирования температуры воды в поддоне (тэна и термореле) и устройств для измерения: деформаций - индикатор часового типа ИЧ-10 (мессура); температуры - термопреобразователи сопротивления с измерительным прибором; давления морозного пучения грунта - мессдозы (мессдоза жестко вмонтирована в крышку, моделирующую участок подпорной стены) и регистрирующего прибора ЦТИ - 1. Для обеспечения одномерного промерзания грунта прибор со всех сторон, кроме верха, изолировался слоем пенопласта. Затем экспериментальная установка помещалась в климатическую камеру - ILKA тип 3626/51, в которой поддерживался заданный температурный режим с точностью ±0,1 С. В камере поддерживалась температура -6,8С (соответствующая средней температуре зимнего периода района, где расположен опытный участок - г. Сергиев -Посад), скорость движения охлажденного воздуха была постоянной и одинаковой во всех опытах. Температура воды в поддоне поддерживалась в пределах +2,0±0,1С с помощью электротэна. Включение и выключение тэна осуществлялось через термореле. Заданный температурный режим поддерживался следующим образом: когда температура воды опускалась ниже заданной, происходило замыкание контактов термореле, что включало в работу тэн, после достижения водой требуемой температуры контакты термореле размыкались, и тэн выключался.
Изменение горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта за подпорной стеной, а также деформирование подпорной стены в зимний период 2002-2003 гг.
Погодные условия в зимний период 2002-2003 годов так же, как и в предыдущую зиму имели неустойчивый характер. Так периоды резкого охлаждения воздуха 30.11.02. до -17С, 10.12.02. до -15С, 1.01.03. до -25С, 10.01.03. до -20С, сменялись оттепелями 4.12.02. до -5С, 12.12.02. до -2С, 4.01.03. до -5С, 16.01.03. до +2С (рис.3.1). В среднем температура воздуха понижалась с начала измерений - 1.11.02 г. до 16.01.03 г., ас 16 по 31 января 2003 г. наблюдался период оттепели, температура колебалась от +2 до -5С, в дальнейшем температура понизилась и оставалась отрицательной до 25 марта, после чего температура воздуха в месте расположения тоннеля перешла в зону положительных температур.
В результате измерений температуры воздуха, проведенных в районе расположения тоннеля, выявлено, что средняя температура зимнего периода 2002-2003 гг. составила -4,52С. Таким образом, по температурному фактору зимний период 2002 - 2003 гг. был более мягким, чем среднестатистический. В зимний период 2002-2003 гг. глубина промерзания грунта с поверхности земли составила - 1,53 м, мощность мерзлого грунта, промерзшего через подпорную стену, достигла - 0,99 м. Средняя скорость промерзания грунта составляла для грунта, промерзшего через открытую поверхность (вертикальное промерзание) -1,7 см/сут, для грунта, промерзшего через подпорную стену (горизонтальное промерзание)- 1,1 см/сут.
В условиях естественного залегания грунтов за подпорной стеной на опытном участке в осенний период (перед промерзанием) все поры грунта были заполнены водой, влажность грунта составляла 0,23- 0,25. Грунт соответствовал мягкопластичному и текучему состоянию. В результате криогенной миграции влаги в горизонтальном направлении к фронту промерзания, влажность грунта у подпорной стены к концу зимнего периода увеличилась до 0,28 -0,30.
В зимний период 2002-2003 гг. были проведены замеры температуры воздуха и грунта с 1.11.02 по 1.05.03. О глубине промерзания грунтов за подпорной стеной можно судить по значению температуры, замеренной за подпорной стеной в пробуренных вертикальных скважинах. По высоте замеры температуры грунта проводились в пяти точках: на поверхности грунта и на глубинах: 1,2,3 и 4 м.
Изменения температуры грунта во времени на разных глубинах представлены на рис.3.8-3.10. Разность температур грунта на расстоянии 0,15 м от подпорной стены на разной глубине (с поверхности грунта и до глубины 4 м) достигала 10 градусов. Особенно это проявлялось в начальный период промерзания грунтов за подпорными стенами. На поверхности грунта и на глубине 1 м температура грунта была уже отрицательная (грунт промерз), а на глубинах 2+4 м грунт находился еще в талом состоянии или стадии начального замерзания (рис.3.8). Это происходило до 8.12.02 г.: так температура грунта на поверхности достигла -14С, на глубине 1 м достигла -5С, на глубине 2 м достигла -0,3С, а на глубинах 3 и 4 м находилась в зоне положительных температур +0,3 и +0,6С соответственно. В начальный период понижения температуры воздуха грунт начинал промерзать сверху - через открытую поверхность, в горизонтальном же направлении через подпорную стену, промерзание грунта происходило, только через некоторое время, необходимое для охлаждения подпорной стены. При дальнейшем понижении температуры воздуха с 14.01.03 г. температура грунта на разных глубинах почти выравнивалась и отличалась на 2+3 градуса. С увеличением глубины от поверхности земли температура грунта повышалась. Грунт на расстоянии 0,15 м от подпорной стены на глубине 1 м начал промерзать с 27.11.02 г., на глубинах 2+4 м грунт промерзал с 5.12.02 г. С поверхности и до глубины 1 м грунт оттаял в середине марта 2003 г., на глубинах 1+4 м оттаивание грунта закончилось в середине апреля.
На расстоянии 0,20 м от подпорной стены на разных глубинах (с поверхности грунта и до глубины 4 м) температура грунта отличалась на 13 градусов (рис.3.9). Это проявлялось в начальный период промерзания грунтов за подпорными стенами. Наибольшее отличие в распределении температуры по глубине наблюдалось до 8,12.02 г.: температура грунта на поверхности грунта достигла -13С, на глубине 1 м достигла -4С, на глубине 2 м достигала -0,2С, а на глубинах 3 и 4 м температура грунта равнялась 0С. При дальнейшем понижении температуры воздуха с 15.01.03 г., температура грунта на разных глубинах практически выровнялась и отличалась на
Методика расчета горизонтального давления, действующего на подпорные стены в процессе оттаивания грунта
Пономаревым В.Д. [131] установлено, что если вес, смещающегося за подпорной стеной объема пород (свода разгрузки), меньше предельных усилий сдвига, он может быть полностью воспринят вертикальными стеной и окружающим зону недеформируемым массивом мерзлых пород при размерах свода нагрузки DCB и высоте оттаивания hom, равным в связных грунтах (рис.5.8): где Сі, (pi - сцепление и угол внутреннего трения принимаются по результатам лабораторных исследований мерзлых пород при оттаивании; Уот -удельный вес оттаявшего грунта, кН/м . После разрушения свода разгрузки наступает период консолидации и уплотнения оттаявших грунтов под собственным весом.
Горизонтальное давление, действующее на подпорную стену при оттаивании грунта в зазоре между стеной и мерзлым грунтом (зависающего объема оттаивающих грунтов), определим по методике Костина Э.С. [88]: где Dce - размер зоны оттаивания за подпорной стеной (свода разгрузки), изменяющийся во времени от значений: Dcemin=\ до здесь Я/ - коэффициент бокового давления оттаявших пород, определяемый по формуле: При hom 5 Dce в. уравнении 5.18 вторым множителем можно пренебречь, тогда 5.18 будет максимальным и примет вид: Данные для расчета: рысота подпорной стены 6,0 м, Ci= 0,028 МПа, Фі= 22, уот= 20 кН/м\ Учитывая, что в расчете подпорных стен нас интересует, прежде всего, максимальное давление, которое развивается при максимальных размерах зоны оттаивания, расчет проводился по формуле 5.21. Оттаивание грунта происходит через подпорную стену и через отрытую поверхность до глубины 6 м (высота стены). Сцепление грунта в месте контакта подпорной стены и мерзлого грунта с талым грунтом условно принято равным нулю, что идет в запас. Свод разгрузки Dce составил 1,0 м, что меньше глубины промерзания грунта через подпорную стену. Горизонтальное давление составит:
Проведенные расчеты показали, что в период оттаивания грунта на подпорные стены действует дополнительное горизонтальное давление, равное 0,025 МПа. Давление оттаивающего грунта, действующее на подпорную стену, значительно меньше давления морозного пучения для рассматриваемых условий. В районах с глубоким промерзанием грунтов более 3-х метров или при использовании искусственного замораживания грунтов для глубоких тоннелей давление оттаивающего грунта будет значительно больше за счет оттаивания большего массива грунта и его учет в расчетах вертикальных стен обязателен. результате проведенных лабораторных исследований получены значения относительного коэффициента оттаивания грунтов с различными физическими свойствами, представленные в таблице 4.3. Для грунтовых условий опытного участка подпорной стены (W=Q,24, р=2,0 г/см3) относительный коэффициент оттаивания грунта равен У" =0,022, общая осадка грунта возле подпорной стены на расстоянии меньшем глубины промерзания грунта через подпорную стену равна произведению относительного коэффициента оттаивания и высоты оттаивающего слоя грунта, равного высоте подпорной стены hom =6,0 м.
