Выпучивание материалов и конструкций при промерзании грунтов

Под морозным пучением грунтов понимают увеличение их объёма в процессе промерзания. Оно происходит за счёт образования льда при замерзании воды, содержащейся в грунте и поступающей к фронту промерзания в результате её миграции из нижележащих слоёв. Увеличение объёмов грунта при промерзании тем значительнее, чем выше влажность грунта и чем интенсивнее подток влаги к фронту промерзания (охлаждения).

Деформации пучения - объёмные, но реализуются они в направлении наименьшего сопротивления деформации. Обычно таким направлением является поверхность грунта. В этом случае пучение проявляется в виде поднятия поверхности промерзающего грунта. Причём в естественных условиях в большинстве случаев наблюдается неравномерное поднятие поверхности. Неравномерность поднятия обусловлена неоднородностью грунтов по составу и сложению, гидрогеологическими и другими природными условиями.

Основными параметрами, количественно характеризующими процесс морозного пучения, являются величина, относительная величина и коэффициент неравномерности пучения, устанавливаемые по результатам прямых измерений.

Под величиной морозного пучения некоторой точки поверхности грунта понимают высоту перемещения этой точки вверх относительно её положения в предзимний период.

Под относительной величиной морозного пучения понимают отношение величины морозного пучения к толщине слоя промерзающего грунта, подверженного морозному пучению.

Коэффициент неравномерности пучения определяют как отношение превышения одной точки деформированной поверхности над другой к расстоянию между рассматриваемыми точками.

По степени морозоопасности все пучинистые грунты подразделяют на пять групп: практически непучинистые, слабопучинистые, среднепучинистые, сильнопучинистые и чрезмерно пучинистые.

Процесс пучения, обусловленный льдовыделением и анизотропией роста кристаллов, протекает не только у границы промерзания, но и в некотором приграничном слое мёрзлого грунта, называемом зоной промерзания или зоной одновременного пучения. Мёрзлый грунт, залегающий выше зоны промерзания, при дальнейшем охлаждении практически не подвергается пучению, однако перемещается вверх в результате пучения грунта в нижележащих слоях.

Грунт, окружающий фундамент (или другой элемент сооружения, расположенный в грунте), смерзается с его боковыми гранями и в процессе пучения стремится увлечь фундамент вверх. Если подъём фундамента вверх происходит, то такое явление называют выпучиванием фундамента (сооружения). Если же статические силы смерзания грунта с фундаментом окажутся меньше сопротивления его выпучиванию, то возникает смещение (сдвиг) вверх мёрзлого пласта относительно фундамента.

Промерзание пучащегося грунта у боковых поверхностей фундамента приводит к всестороннему обжатию фундамента. При этом неравномерное пучение может вызвать одностороннее давление, способное подвергнуть сооружение горизонтальным смещениям.

Пучение грунтов сопровождается развитием давления в зоне промерзания. Это давление характеризует собственно силы пучения, или гидродинамические силы пучения, под которыми понимают равнодействующую, возникающую вследствие сопротивления расширению воды при замерзании. Для решения практических вопросов о напряжённом состоянии грунта у фундамента важно иметь представление не столько о собственно силах пучения, сколько о силовом его эффекте, воспринимаемом фундаментами и конструкциями сооружений, расположенными в грунте. Различают следующие виды сил морозного пучения грунтов, действующие на фундамент (или другой элемент сооружения, заглубленный в грунт):

· касательные силы пучения (действующие в плоскости боковой поверхности фундамента);

· нормальные силы пучения, действующие на боковые поверхности фундаментов сооружений;

· нормальные силы пучения, действующие на подошву фундаментов сооружений.

При проектировании фундаментов важны как оценка действующих на него нормальных и касательных сил морозного пучения грунтов, так и знание закономерностей напряжённо-деформированного состояния грунта у сооружения.

Методы измерения величины пучения. Существуют два метода измерения величины пучения грунтов:

· полевой (натурный) метод - путём измерения с помощью инструментов. Чаще всего он состоит в периодическом нивелировании в сезон промерзания грунтов марок, расположенных на поверхности грунта, от постоянных реперов;

· лабораторный метод, использующийся преимущественно при испытаниях образцов нарушенных грунтов (паст).

Методы измерения касательных и нормальных сил морозного пучения грунтов. Значения касательных и нормальных сил морозного пучения грунтов определяют в лабораторных условиях и непосредственным измерением их величин в полевых условиях.

Для определения касательных сил морозного пучения грунтов в лабораторных условиях по специальной методике устанавливают устойчивое сопротивление сдвигу (смерзание) грунта с различными материалами – деревом, бетоном, металлом. Это значение и принимают за величину средней удельной касательной силы пучения грунта по боковой поверхности фундамента (для того или иного материала).

К настоящему времени опробовано несколько полевых методов оценки касательных сил морозного пучения грунтов. Большинство из этих методов содержит следующие конструктивные элементы: опытный фундамент, воспринимающий силы пучения, анкерные опоры, обеспечивающие противодействие силам пучения, и силоизмерительное устройство, обычно с упругим элементом, по деформациям которого определяется сила пучения. В качестве измерителя деформаций обычно используется мессура. При полевом методе измеряется интегральная величина касательной силы, действующей на модель фундамента при конкретных условиях. По максимальным значениям этой силы рассчитываются её удельное значение, принимаемое в качестве нормативного при расчёте фундаментов на выпучивание.

Значения нормальных сил морозного пучения грунтов, действующих на подошву фундамента, в лабораторных условиях определялись рядом исследователей. Было установлено, что эти напряжения могут достигать 1–1,2 МПа и что они являются функциями вида, влажности и скорости промерзания грунта, а также величины внешней нагрузки и сжимаемости подстилающего основания. Однако общепринятой методики определения этих сил до настоящего времени нет. Лабораторные исследования также показали, что сравнительно достоверная оценка этих сил пучения может быть произведена только в полевых условиях.

Опробовано несколько методик измерения в полевых условиях нормальных сил морозного пучения грунтов, действующих на подошву и боковые поверхности фундаментов. Измеряли эти силы с помощью специальных установок, содержащих штампы и мессдозы. Единой общепринятой методики определения этих сил в полевых условиях к настоящему времени не разработано.

В соответствии с указаниями СНиП “Основания зданий и сооружений” и СНиП “Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах” интенсивность используемых в расчётах касательных и нормальных сил морозного пучения грунтов следует устанавливать на основе опытных данных. При отсутствии опытных данных эти характеристики допускается определять по физическим характеристикам грунтов. А при проектировании сооружений, возводимых в районах распространения вечномёрзлых грунтов, в случаях, когда опытные данные отсутствуют, значения расчётных касательных сил морозного пучения грунтов допускается принимать по СНиП “Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах” в зависимости от состава, влажности и глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов.

Дата добавления: 2015-07-15