Воздействие морозного пучения грунтов на искусственные сооружения

Морозное пучение грунтов может оказывать неблагоприятное воздействие на опоры мостов, оголовки и звенья водопропускных труб, а также на верхнее строение железнодорожного пути над водопропускными трубами. Более часто такое воздействие имеет место для мостов и водопропускных труб старых типов, не имеющих противопучинных мероприятий, или если такие мероприятия недостаточны.

Подошва фундаментов опор у эксплуатируемых мостов (в том числе старых типов) заложена, как правило, ниже глубины промерзания грунта, что исключило возможность действия на неё нормальных сил морозного пучения грунтов. На такие опоры оказывают воздействие касательные силы морозного пучения грунтов, действующие по боковым поверхностям фундаментов. Воздействие этих сил приводит к выпучиванию опор в период сезонного промерзания и к осадкам - в период сезонного оттаивания грунтов. Причём выпучивает опоры, как правило, неравномерно. Поэтому образуются крены опор как в направлении вдоль, так и поперёк оси моста.

В период сезонного оттаивания грунтов опоры, подвергшиеся выпучиванию, не всегда возвращаются в положение, которое они занимали до начала промерзания грунта. В результате образуются остаточное выпучивание и остаточные крены, которые с годами могут накапливаться.

В районах распространения вечномёрзлых грунтов наблюдались разрывы фундаментов опор старого типа. Причины тому - воздействие касательных сил морозного пучения грунтов на боковые поверхности фундаментов, заанкеривание нижней части фундамента в вечномёрзлом грунте и сравнительно небольшая прочность каменной кладки на растяжение.

В водопропускных трубах от воздействия нормальных и касательных сил морозного пучения грунтов деформируются и повреждаются как оголовки, так и секции трубы. При этом наибольшее количество деформаций и повреждений возникает в концевых частях труб. Это вполне объяснимо тем обстоятельством, что концевые части трубы в меньшей мере, чем её средняя часть, нагружены весом насыпи.

Откосные стенки оголовков и оголовочные звенья (а иногда и основные звенья) вследствие воздействия сил морозного пучения грунтов подвержены таким деформациям, как сезонные выпучивания и осадки, продольные и поперечные крены. Иногда происходит растяжка трубы. С годами эти деформации, как правило, накапливаются. Вследствие неравномерности перечисленных деформаций в элементах труб возникают сколы, трещины, разрывы кладки.

В верхнем строении железнодорожного пути над трубами, расположенными в невысоких насыпях (высотой до 5 м), вследствие пучения грунтов насыпи и основания в период сезонного промерзания могут образовываться неровности в виде “горбов”. Размеры “горбов” увеличиваются по мере увеличения глубины промерзания. За периоды сезонного оттаивания размеры “горбов” уменьшаются до полного исчезновения. Путейцы вынуждены “сглаживать” возникающие неровности пути. Причём эту работу приходится выполнять как в период сезонного промерзания, так и в период сезонного оттаивания грунтов.

Основы учёта морозного пучения грунтов при проектировании, строительстве и эксплуатации искусственных сооружений

Учёт возможного неблагоприятного воздействия сил морозного пучения грунтов на искусственные сооружения при проектировании состоит, прежде всего в расчёте фундаментов и других, заглубленных в пучинистый грунт частей сооружения, на воздействие касательных и нормальных сил морозного пучения грунтов. Если такой расчёт показывает, что сооружение неустойчиво или в нем могут появиться повреждения от сил морозного пучения грунтов, то применяют противопучинные мероприятия.

Противопучинные мероприятия. Противопучинные мероприятия для сооружений назначают в тех случаях, когда воздействие сил морозного пучения грунтов может повлечь за собой повреждение элементов, недопустимые деформации или ограничение скорости движения поездов. Противопучинные мероприятия могут потребоваться как на стадии эксплуатации сооружения, так и на стадии строительства.

Противопучинные мероприятия для искусственных сооружений можно подразделить на направленные против неблагоприятного воздействия нормальных и касательных сил морозного пучения грунтов.

Противопучинные мероприятия, направленные на исключение неблагоприятного воздействия нормальных к подошве фундамента сил морозного пучения грунтов. Они могут превышать вес сооружения в несколько раз, а усилия в элементах сооружения от этих сил, как правило, значительно превышают усилия в нём от воздействия временных подвижных нагрузок. Главным образом по этой причине основной принцип, на который ориентированы современные нормы на проектирование искусственных сооружений, состоит в исключении возможности действия этих сил на сооружение.

Этот принцип реализуют путём заложения подошвы фундамента мелкого заложения или подошвы плиты ростверка свайного (столбчатого) фундамента ниже глубины промерзания грунта. Именно так решено большинство типовых конструкций опор мостов и типовых конструкций водопропускных труб.

Другое направление - расположение плиты ростверка столбчатого фундамента над естественной поверхностью пучинистого грунта. При этом подошву плиты ростверка располагают либо на значительном расстоянии от поверхности грунта (как это сделано в так называемых безростверковых опорах), либо на расстоянии 0,2–1,0 м от неё. Последнее решение в опытном порядке реализовано на БАМе в ряде мостов и в одной водопропускной трубе.

Вместе с тем действующие нормы на проектирование допускают заложение подошвы мелкозаглубленного фундамента или подошвы плиты ростверка свайного или столбчатого фундамента в слое сезонного промерзания – оттаивания пучинистого грунта. К таким решениям относятся, например, бесфундаментные трубы, широко применяемые в проектах капитального ремонта мостов и труб на дорогах Дальневосточного региона. Но применение такого решения, согласно нормам на проектирование, следует обосновывать расчётами оснований, фундаментов и других элементов сооружения по прочности и деформациям.

Противопучинные мероприятия, направленные на исключение неблагоприятного воздействия касательных сил морозного пучения грунтов. Общее количество таких мероприятий – несколько десятков. Однако далеко не все из них целесообразны для искусственных сооружений. Выбор противопучинного мероприятия, наиболее целесообразного для конкретного сооружения, обычно производят на основе анализа следующих основных факторов: геологических и гидрогеологических особенностей строительной площадки, типа фундамента, сроков эксплуатации сооружения и уровня его капитальности, оценки технико-экономических показателей вариантов противопучинных мероприятий.

В районах вечной мерзлоты дополнительно учитывают мерзлотно-грунтовые условия площадки, предусмотренный проектом принцип использования вечномёрзлых грунтов в качестве основания сезон производства земляных работ.

Противопучинные мероприятия можно подразделить на две группы. К первой относятся мероприятия, снижающие интенсивность касательноы силы пучения, действующей на сооружение. Ко второй – мероприятия, повышающие устойчивость сооружения и прочность его элементов в условиях действия на них сил морозного пучения грунтов. Часто в сооружении применяют несколько противопучинных мероприятий, в том числе мероприятия из разных групп.

По продолжительности действия различают противопучинные мероприятия кратковременные (срок действия один – два года) и долговременные (срок действия свыше двух лет).

К противопучинным мероприятиям первой группы относятся:

· гидромелиоративные и тепломелиоративные;

· физико-химические (гидрофобизация и засоление грунтов);

· конструктивные (уменьшение шероховатости и наклон боковых граней у фундаментов, обмазка боковых поверхностей фундаментов и покрытие их полимерной плёнкой, устройство подвижными элементов сооружения, расположенных в пределах пучинистого грунта).

К противопучинным мероприятиям второй группы относятся:

· заанкеривание свай и столбов фундаментов путём дополнительного их заглубления в талый или мёрзлый грунт основания или путём заделки их в скальном грунте;

· устройство у фундаментов мелкого заложения анкерных выступов с засыпкой их песчано-гравийной смесью, тщательно уплотнённой;

· замена фундаментов мелкого заложения свайными и столбчатыми;

· замена конструктивных элементов мостов и труб на более тяжёлые;

· уширение свай и столбов в их частях, расположенных ниже сезоннопромерзающего слоя, и рифление столбов в их нижней части;

· заделка столбов опор в вечномёрзлом грунте за счёт понижения температуры последнего с помощью охлаждающих установок Гапеева, Макарова и др.

Гидромелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов у сооружений, сводятся к понижению уровня грунтовой воды и влагосодержания грунтов в пределах сезонномёрзлого слоя, к предохранению грунтов от насыщения поверхностными водами. Сущность гидромелиоративных мероприятий - снизить действующие на фундамент силы пучения за счёт понижения влагосодержания грунта и уровня грунтовой воды. Эти мероприятия, широко применяющиеся для зданий и сооружений, для опор мостов и водопропускных труб как долгосрочные технически сложно осуществимы (ввиду наличия водотока). Однако они могут оказаться предпочтительнее других для опоры моста или водопропускной трубы, строительство которой не закончено к началу зимы (не установлены пролётные строения, не отсыпана насыпь, не выполнена полностью обратная засыпка котлованов). Особенно эффективным может быть удаление воды в предзимний период из котлованов или из пазух котлованов (при невыполненной обратной засыпке), а также осушение грунта обратной засыпки котлованов.

Понижение влагосодержания насыпи в зоне устоев мостов и водопропускных труб, а также предохранение грунтов основания от насыщения поверхностными водами следует предусматривать всегда. Для этого укрепление насыпи у мостов и труб, а также укрепление русла в зоне сооружения следует рассматривать не только как защиту от размывов в период паводков, но и как защиту от проникновения поверхностной воды в грунт. В этом аспекте, например, при пучинистых грунтах основания укрепление откосов насыпи и русла бетоном предпочтительнее укрепления каменной наброской или каменным мощением. Однако эти мероприятия в расчёте фундаментов мостов и труб на воздействие сил морозного пучения грунтов не учитывают.

Тепломелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов у сооружений, сводятся к укладке теплоизоляционного слоя из того или иного материала, обеспечивающего уменьшение глубины промерзания грунта у сооружения, повышение температуры промерзающего грунта и, как следствие, уменьшение действующей на сооружение суммарной силы выпучивания. Применяемые в гражданском строительстве для этих целей теплоизоляционные материалы (шлак, керамзит, пенопласт и др.) для мостов и водопропускных труб как долговременные противопучинные мероприятия не приемлемы. Во-первых, ввиду снижения их теплотехнических качеств в условиях водонасыщения. Во-вторых, вследствие того, что большинство из них со временем теряет свои теплотехнические свойства.

Однако утепление грунтов как противопучинное мероприятие у опор мостов и у водопропускных труб может оказаться предпочтительнее других в случае, когда оно необходимо на один зимний сезон. Такая необходимость может иметь место, например, в случае, когда к началу зимы не закончена строительством надфундаментная часть моста или трубы или не выполнена отсыпка насыпи над секциями средней части трубы. В качестве теплоизолирующих материалов в этом случае могут быть использованы опилки, шлак, торф, пенопласт, другие материалы, а также снег.

Физико-химические противопучинные мероприятия, применяемые для сооружений, сводятся к специальной обработке грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства, а также к насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта.

Гидрофобизацию грунтов производят жидкими нефтяными битумами, жидкими каменноугольными дёгтями, торфяными и нефтяными дёгтями и другими материалами. Наиболее пригодны для гидрофобизации супеси и пылеватые пески с преобладанием фракций от 0,5 до 0,05 мм.

Этот способ предлагался как противопучинное мероприятие для мостов и водопропускных труб ещё в 30-е годы. Однако ввиду недолговечности гидрофобных свойств грунтов его не следует применять для вновь строящихся мостов и труб как долгосрочное мероприятие. Вместе с тем этот способ может оказаться вполне конкурентоспособным при капитальном ремонте опор мостов и концевых частей водопропускных труб.

Засоление грунтов относится к противопучинным мероприятиям кратковременного действия (один - два года), если грунты не защищены от воздействия поверхностных или грунтовых вод. Кроме кратковременности действия у этого способа есть и другие недостатки. Соли влияют на начальную структуру грунта, вследствие чего в дальнейшем грунт может оказаться более морозоопасным, чем до засоления. Кроме того, наличие солей повышает температуропроводность грунта. Наконец, засоление грунтов ускоряет разрушение строительных материалов, ускоряет их коррозию. Вследствие этого засоление как противопучинное мероприятие для мостов и водопропускных труб применять не рекомендуется.

Конструктивные противопучинные мероприятия в большинстве своём направлены на восприятие касательных сил пучения, действующих на сооружение, и только некоторые из них – на снижение сил пучения.

Конструктивные противопучинные мероприятия наиболее приемлемы как долгосрочные для вновь строящихся мостов и труб. Именно они использованы в современных типовых проектах мостов и труб.

Уменьшение шероховатости боковой поверхности фундаментов как противопучинное мероприятие, применялось для мостов и труб ещё в 30-е годы в виде выравнивания цементным раствором боковой поверхности каменной кладки фундаментов мостов и труб, затирки и железнения боковых поверхностей бетонных фундаментов. Сущность этого мероприятия в том, что чем меньше шероховатость боковой поверхности фундамента, тем меньше возникающая на этой поверхности касательная сила морозного пучения грунта. Это обстоятельство в расчётах на выпучивание учитывается путём введения к величине интенсивности касательных сил морозного пучения грунтов “коэффициента шероховатости”. Значения этого коэффициента для некоторых видов поверхностей приведены в СНиП “Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах”.

Наклон боковых граней фундаментов как противопучинное мероприятие так же, как и уменьшение шероховатости боковой поверхности применялся для мостов и водопропускных труб ещё в 30-х годах. Он применялся и в 40- 60-х гг. на Забайкальской железной дороге в мостах и трубах, возводимых взамен неисправных мостов и труб. В настоящее время наклон боковых граней использован в действующем типовом проекте прямоугольных бетонных труб в фундаментах оголовков. Сущность этого мероприятия в том, что на наклонной боковой поверхности фундамента возникает меньшая касательная сила пучения, чем на вертикальной.

Недостатком этого мероприятия является значительное увеличение ширины фундаментов, которое ведёт к дополнительному расходу материалов на фундаменты и увеличению монтажного веса блоков (при сборном фундаменте). Вследствие этого наклон боковых граней может оказаться предпочтительнее других противопучинных мероприятий для монолитных фундаментов опор мостов, и водопропускных труб больших отверстий (3-6 м).

Обмазка боковых поверхностей фундаментов, соприкасающихся с промерзающим пучинистым грунтом, материалами, снижающими величину касательных сил морозного пучения грунтов, может оказаться предпочтительнее других способов для временного предотвращения выпучивания конструкций трубы - на один или несколько зимних сезонов. Необходимость этого для моста или трубы может возникнуть, например, когда их строительство к зиме не закончено. Кроме того, в районах распространения вечномёрзлых грунтов может возникнуть необходимость предотвращения выпучивания элементов трубы на период стабилизации температурного режима вечномёрзлого грунта, используемого по принципу I, если эта стабилизация завершается за период более одного зимнего сезона.

В качестве материалов для противопучинных обмазок фундаментов искусственных сооружений могут быть применены смазка БАМ-3, кремнийорганическая эмаль, нитроэмали, битумная мастика, солидол и другие. Для того чтобы смазка, находящаяся на поверхности фундамента, не впитывалась в грунт, а также чтобы при обратной засыпке она не удалялась грунтом, смазанную поверхность рекомендуется покрывать полиэтиленовой плёнкой. Величину удельной касательной силы пучения, действующей на фундамент трубы с противопучинной обмазкой, принимают в соответствии с указаниями по применению той или иной обмазки.

За счёт устройства боковых стен подвижными в столбчато-щитовой конструкции трубы на 40–50 % уменьшается площадь боковой поверхности надфундаментной части, на которой возникают касательные силы морозного пучения грунтов.

Устройство анкерных выступов у фундаментов мелкого заложения, а также у плит ростверков свайных и столбчатых фундаментов, по-видимому, самое эффективное долгосрочное противопучинное мероприятие из числа применявшихся для мостов и водопропускных труб. Расчёты показывают, что анкерного выступа размером 40- 70 см, как правило, достаточно для обеспечения устойчивости против выпучивания опоры моста, секции трубы или откосной стенки оголовка. Анкерные выступы предусмотрены в фундаментах мелкого заложения в действующих в настоящее время типовых проектах мостов и водопропускных труб, предназначенных для применения при пучинистых грунтах в районах с особо суровыми климатическими условиями.

Выбирая это противопучинное мероприятие, следует учитывать, что анкерные выступы выполнят своё назначение только в том случае, если над верхней их поверхностью будет грунт, имеющий достаточную сопротивляемость сжатию. В действующих типовых проектах это достигается путём применения для обратной засыпки нижней половины котлована песчано-щебёночной смеси, тщательно послойно уплотнённой. В упомянутых типовых проектах принято, что условное сопротивление сжатию такой засыпки составляет 1 МПа, т. е. она не только засыпка, но и конструктивный противопучинный элемент, учитываемый в расчёте фундамента на устойчивость против выпучивания.

Замена массивного фундамента столбчатым (свайным), в том числе и как противопучинное мероприятие, нашла широкое применение в виде столбчатых опор на БАМе. Столбчатые фундаменты в водопропускных трубах также применяют, но реже, чем в мостах.

Для повышения сопротивляемости столбов (свай) выдёргиванию силами пучения могут быть использованы уширение столбов (свай) в части, расположенной ниже сезоннопромерзающего слоя; заделка столбов вгрунте (в том числе скальном); рифление столбов в нижней части, а также заделка столбов в вечномёрзлом грунте с использованием при этом понижения температуры последнего (в зоне анкеровки) с помощью совмещённых со столбами (сваями) охлаждающих установок Гапеева, Макарова и др.

Замена конструкции моста или трубы на б о лее тяжёлую также можно рассматривать как конструктивное противопучинное мероприятие. Так, например, замена на стадии проектирования прямоугольной железобетонной трубы прямоугольной бетонной трубой того же отверстия существенно увеличит устойчивость трубы против выпучивания; устойчивость фундамента опоры моста на воздействие касательных сил морозного пучения грунтов возрастёт, если увеличить длины опирающихся на опору пролётных строений

Дата добавления: 2015-07-15