- •Физико-механические свойства.
- •Прочностные характеристики
- •Глинистые грунты
- •Деформационные характеристики
- •Принципы проектирования фундаментов на вм. (сНиП 2.02.04 – 88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»).
- •I принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве основания применяется:
- •Последовательность проектирования на основаниях по I принципу использования вм грунтов:
- •Проектирование при втором принципе использования вм грунтов в качестве основания.
- •Расчет оснований и фундаментов по сп 25.13330.2012.Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I.
- •Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу II.
- •Расчет оснований и фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения.
- •Вопросы для самоподготовки:
Лекция № 7
Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Проектирование фундаментов в условиях вечномерзлых и мерзлых грунтов. Физико-механические свойства мерзлых грунтов. Основные принципы проектирования фундаментов на вечномерзлых грунтах.
Вечномерзлые
грунты распространены на Севере
Европейской части, вдоль Западной и
Восточной границ и на Дальнем Востоке
в Хабаровске, вдоль транссибирской
магистрали и занимают 49,8%
50%.
Рисунок 7.1. Карта распространения вечномерзлых пород и грунтов на территории России
Грунты, которые в условиях природного залегания, находятся в мерзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение нескольких лет (обычно столетий и даже сотни тысяч лет), называются вечномерзлыми грунтами.
Грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми грунтами.
У мерзлых грунтов часть поровой воды находится в замерзшем состоянии в виде кристаллов льда (вместо воды – лед).
Рисунок
7.2. Прослои льда в грунте
Вечномерзлые грунты могут располагаться слоями от нескольких метров до 400м.
Рисунок 7.3. Мощность «вечной мерзлоты»:
а - Чита, б - Воркута: в - Верхоянск; г - Якутск; д - Вилюй
Характер вечномерзлых грунтов:
по глубине – может быть сплошное залегание, островное;
по температурному режиму:
- деградирующий (температура повышается столетиями → 00 С);
прогрессирующий (температура снижается веками).
Рисунок 7.4. Кривые содержания незамерзшей воды Wнз в мерзлых грунтах в зависимости от величины их отрицательной температуры (-Ө): 1 – глина; 2 – суглинок; 3 – супесь; 4 - песок
Рисунок 7.5. Графики процесса замерзания грунта (а) и содержания незамерзшей воды при различных отрицательных температурах (б) для образцов
Вечномерзлые и мерзлые грунты обладают криогенной (морозной) текстурой.
Текстура – сложение, т.е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунта и их агрегатов.
Структура – обусловливается структурными связями между минеральными частицами и их агрегатами, а также силами молекулярного воздействия между поровой водой и твердыми частицами.
По содержанию льда различают три вида криогенной текстуры:
монолитная текстура;
слоистая текстура;
сетчатая текстура.
Монолитная текстура: лед в порах придает высокую структурную прочность. Это так называемый лед – цемент. Лед на глаз не видно, на свету он проявляется.
Механические свойства практически соответствуют свойствам скального грунта. Такой грунт обладает хрупким изломом. Монолитная текстура характерна для крупнообломочных, гравелистых и всех песков, кроме пылеватых.
Слоистая текстура: имеет отдельные включения, отдельные слои.
1 – ледяные включения в виде сплошных слоев и линз;
2 – элементы монолитной текстуры.
Рисунок 7.6. Слоистая текстура
Свойства : общее содержание льда значительно больше, чем при монолитной текстуре, деформация при оттаивании значительно выше, строительные качества обычно низкие. Монолитная текстура предпочтительнее.
Сетчатая текстура: большое присутствие льда - включения. Прочность при сетчатой текстуре ниже, чем при слоистой и тем более, чем при монолитной.
Рисунок 7.7. Сетчатая структура
Свойства:
1. прочность самая низкая;
2. содержание льда самое высокое;
3. значительные деформации при оттаивании;
В любом инженерно-геологическом разрезе в реальных условиях обычно наблюдается сочетание всех трех видов текстур с преобладанием одного из видов.
Рисунок 7.8. Морозные текстуры грунта
По характеру, вечномерзлые грунты могут находиться в твердомерзлом, пластично-мерзлом или сыпучемерзлом состояниях.
Твердомерзлые грунты – имеют низкую температуру и практически несжимаемы (Е > 100 МПа). К ним относятся песчаные и супесчаные грунты.
Пластично-мерзлые - имеют температуру, близкую
к 00 С, сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Содержат в большом количестве незамерзшую воду (связанную, пленочную), (Е < 100 МПа). К ним относят в основном глинистые грунты и тяжелые суглинки.
Сыпучемерзлые – к ним относятся грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом, рыхлые и сыпучие маловлажные грунты в талом состоянии. Такими грунтами являются пески, гравелистые и крупнообломочные грунты.
Наихудшими свойствами обладают пластично-мерзлые грунты т.к. они переходят в талое состояние и, в связи с этим, недостаточно прочные.
Твердомерзлые – прочные и мало-сжимаемые.
Сыпучемерзлые – в твердом состоянии имеют такие же свойства, как и в талом.
Деятельный слой - это поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом. Он может быть сливающимся, когда грунт промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта и не сливающимся, когда грунт зимой не промерзает до границы вечномерзлого грунта.
Перелёток - слой мерзлого грунта небольшой толщины, не оттаивающий в течение 1-2 лет. Перелёток образуются при наступлении периодов с температурой ниже среднегодовой или вследствие временного изменения местных условий (холодное лето).
Рисунок 7.9. Схемы расположения слоев грунта: 1 – деятельный слой (слой сезонного промерзания и оттаивания); 2 – перелеток; 3 – талый грунт; 4 – вечномерзлый грунт; 5 – слой талого грунта, не промерзающего зимой
При наличии подземных вод всех видов создаются условия для образования грунтовых наледей.
Рисунок 7.10. Схема образования грунтовой наледи на склоне местности: 1 – промерзший слой грунта; 2 – водоносный непромерзший слой; 3 –перемещающиеся по склону грунтовые воды; 4 – слой вечномерзлого грунта; 5 – грунтовая наледь
Рисунок 7.11.
Физико-механические свойства.
Обязательной составной частью мерзлых грунтов является лед. Мерзлые грунты – это четырехкомпонентная (четырехфазная) система; в которую входят твердые частицы, незамерзшая вода, воздух или иной газ и лед (пластичное тело). Свойства мерзлых грунтов зависят от количества содержащейся в них незамерзшей воды и свойств льда.
Вечномерзлые грунты обладают всеми 15 характеристиками как и у мерзлых грунтов, но есть и специфические:
1. Суммарная влажность:
Wtot = Wic+ Wi + Ww , (7.1)
где Wic – влажность мёрзлого грунта за счет наличия порового льда (льда – цемента). Wic - отношение веса (массы) льда – цемента к весу (массе) твердых частиц,
Wi – влажность мерзлого грунта за счет наличия ледяных включений,
Ww – влажность мерзлого грунта за счет содержания незамерзшей воды.
Ww = kw+ Wр , (7.2)
где kw – табличный коэффициент, зависящей от числа пластичности и температуры грунта,
Wр – влажность грунта на границе раскатывания.
2. Льдистость мерзлого грунта
ii
=
=
(7.3)
Если ii = 0,5 – в общем объеме лед составляет половину.
3. Суммарная льдистость
itot = iic+ ii , (7.4)
где iic - льдистость за счет льда – цемента,
ii - льдистость за счет включений льда,
iic - определяется специальными методами с помощью калориметров,
ii - определяется обычными замерами в шурфе.
Рисунок 7.12.
ii
=
(7.5)
4. Sr - степень заполнения пор грунта льдом и незамерзшей водой.
(По аналогии – степень заполнения пор водой у обычных грунтов).
5. Группа теплофизических характеристик:
Теплопроводность мерзлого λf и талого λth грунтов;
Теплоемкость мерзлого Сf и талого Сth грунтов;
Теплота таяния (замерзания) грунта zV.
λf , λth , Сf, Сth , zV – определяют в лабораторных условиях при проведении точных опытов, а чаще всего принимают для различных грунтов по таблицам норм в зависимости от плотности сухого грунта (мерзлого и талого) и суммарной влажности.
Прочностные характеристики
Для воздушно-сухих песков и с ничем не отличаются от обычных грунтов (песок одинаков , что в Сочи, что в Магадане).
Для мерзло-сыпучих (например, сухие пески) φ и с – те же прочностные характеристики.
Глинистые грунты
Рисунок 7.13.
ВГВМ - верхняя граница вечной мерзлоты,
hА - активный слой (деятельный слой, слой сезонного оттаивания) грунта
промерзающий зимой и оттаивающий летом.
RSh – расчетное сопротивление мерзлых грунтов сдвигу по грунту или
грунтовому раствору.
Не имеет ничего общего с
R
=
(7.6)
Raf – расчетное сопротивление ВМ грунта сдвигу на поверхности смерзания
с фундаментной конструкцией.
