7.5. Проектирование строительства на пучинистых грунтах

На территории России широко распространены пучинистые грунты, к которым относятся глины, суглинки, супеси, пески пылеватые и мелкие. Промерзая эти грунты, увеличиваются в объеме, что практически всегда приводить к положительным вертикальным деформациям массивов промерзших грунтов. Фундаменты, располагающиеся в таких грунтах, подвергаются таким же деформация, если действующие на них нагрузки меньше силы пучения. Деформации пучения грунта, как правило, неравномерны. В результате неравномерные деформации постепенно накапливаются и обуславливают развитию недопустимых деформаций фундаментов и надстройки. Деформации пучения особенно активно воздействуют на малонагруженные фундаменты, что характерно для малоэтажных легких сооружений. Нормативными документами на проектирование оснований зданий предусмотрено осуществлять глубину заложения фундаментов не мене расчетной глубины промерзания.

Это требование связано с тем, чтобы минимизировать на фундаменты нормальных сил пучения. Но, к сожалению, это не избавляет воздействие касательных сил пучения, которые действуют по боковым поверхностям фундаментов. Этих сил, как правило, достаточно, что выводить из строя легкие сооружения.

Степень относительной деформации морозного пучения _fr, определяется согласно ГОСТ 28622-90, по результатам экспериментальных лабораторных исследований в специально сконструированных приборах, позволяющих моделировать условия промерзания в заданном температурном и влажностном режимах. Относительную деформацию морозного пучения образца грунта вычисляют с точностью 0,01 по формуле [48]:

 = h_f / d_i, (7,25)

где h_f - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; d_i - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

По величине промерзающие дисперсные грунты подразделяются на 5 степеней пучинистости:

I. Непучинистые (неморозоопасные)

II. Cлабопучинистые (слабоморозоопасные)

III. Среднепучинистые (среднеморозоопасчные)

IV. Сильнопучинистые (сильноморозоопасные)

V. Чрезмерно пучинистые (чрезмено морозоопасные)

Морозоопасные свойства дисперсных грунтов В.О. Орловым предложено предварительно оценивать по гранулометрическому их составу. Песчаные и песчаные крупнообломочные грунты, содержащие пылевато-глинистые фракции и супеси c с числом пластичности определять по параметру дисперсности D. Если D - cреднепучинистые (среднеморозоопасчные), D - cлабопучинистые (слабоморозоопасные). В то же время по параметру по степени морозоопасности пылевато-глинистые грунты с учетом интенсивности пучения подразделяются на 5 групп (табл. 7.18 )

Таблица 7. 18

Значение параметра

Наименование грунта	Степень пучинистости грунта
	I	II	III	IV	V
	Значение параметра
Супеси Супеси пылеватые Cуглинки Суглинки пылеватые Суглинки пылеватые Глины	0,14 0,09 0,1 0,08 0,07 0,12	0,14-0,49 0,09-0,3 0,1-0,35 0,08-0,27 0,07-0,23 0,12-0,43	0,49-0,98 0,3-0,6 0,35-0,71 0,27-0,54 0,23-0,46 0,43-0,86	0,98-0,69 0,6-1,03 0,71-1,22 0,54-0,93 0,46-0,79 0,86-1,47	1,69 1,03 1,22 0,93 0,79 1,47

Принадлежность глинистого грунта к одной из групп оценивается параметром R_f, определяемым по формуле:

(7,26)

где – соответственно природная влажность и влажности на пределе текучести и раскатывания грунтов в пределах слоя их промерзания; – критическая влажность, ниже значения, которой влагоперенос в промерзающем грунте отсутствует (определяется по номограмме, рис. 7.5): М₀– безразмерный коэффициент, числено равный (при открытой поверхности промерзающего грунта) абсолютному значению среднезимней температуре воздуха, согласно [70]. Значение R_fрассчитывается по формуле 7.25, если плотность сухого грунта равна 1,5 т/м³; при иной плотности грунта расчетное значение R_f умножается на отношение /1,5, где – плотность сухого грунта, т/м³.

Для оценки пучинистых свойств крупнообломочных грунтов возможно применять следующие эмпирические модели, полученные в результате исследований автора [93]

Рис. 7.8. Значение критической влажности w_cr в зависимости от числа пластичности I_p и границы текучести w_L [24]

Исследования криогенного пучения промерзающих дисперсных пород, выполнялись многи­ми учеными [] В результате предложено большое количество методик оценки морозного пучения пород, основанных на трех основных методах: экспериментальных (базирующихся только на результатах натурных исследований), теоретических и эмпирических, использующих теоретические и экспериментальные данные, полученные в лабораторных и натурных условиях. В соответствии с этими методами практически все известные методики оценки и прогноза величины пучения пород при промерзании можно объединить в три группы.

В первую группу входят методики оценки пучения пород по результатам натурных экспериментальных исследо­ваний. Они дорогостоящие и трудоемкие, но позволяют производить оценку пучения пород с высокой точностью на территории того или иного региона, отдельного его участка или отдельной строительной площадки. Достоверность этих результатов не вызывает со­мнений. Как правило, они используются для проектирования застройки в пределах тех территорий, где были проведены натурные исследования пучения пород. Несо­мненно, что такие исследования следует рассматривать как эталон­ные, по которым необходимо сверять результаты теоретических и экспериментально-теоретических мето­дов оценки пучения пород при промерзании.

Теоретические методы оценки пучения промерзающих пород построены на основе решения дифференциальных уравнений, учиты­вающих тепломассоперенос и льдообразование в промерзающих массивах горных пород. Однако строгая математическая постановка задачи еще не гарантия получения достоверных результатов, поскольку последние в значительной мере зависят от точности определения параметров, характеризующих свойства промерзающих пород.

В третью группу можно отнести эмпирические методы оценки пучения, представленные различными аналитическими моделями, базирующимися на результатах экспериментальных исследо­ваний природы и закономерностей пучения пород в лабораторных и натурных условиях, количественной оценке основных факторов, оп­ределяющих развитие процесса. Однако, не все разработанные эмпирические методы определения величины пучения промерзающих пород, позволяют с достаточной для практических целей точностью, получать удовлетворительные результаты. Они могут быть использованы на стадии ТЭО, когда отсутствует необходимость в принятии решений по обоснованию строи­тельства конкретных инженерных сооружений.

В настоящее время известно более 10 методик оценки пучения, в различной степени отличающихся друг от друга в теоретическом и практическом отношениях. Основные их различия заложены не только в структуре математических моделей и последовательности производства оцен­ки, но и в различных точках зрения на механизм влагопереноса и льдонакопления в горных породах. Все известные расчетные методики оценки величины пучения пород разработаны для конкретных регионов, поэтому при их использования в других районах, требуется дополнительная проверка точности в сравнении с натурными данными, полученными для этих территорий. Такая работа была проведена нами для наиболее известных моделей оценки пучения пород, разработанных с учетом региональных особенностей природных условий (Шестернев, 2005). До настоящего времени не существует единая общепринятая математическая модель оценки величины пучения, поэтому предпринята попытка, сравнить результаты натурных исследований с результатами, полученными при использовании эмпирических моделей. Для такого сравнения были взяты экспериментально полученные данные по пучению и физико-механическим, теплофизическим свойствам горных пород II надпойменной террасы реки Ингода в районе г. Чита (Таблица 7.19). Характеристики, входящие в математические модели можно условно поделить на: экспериментально полученные; вычисленные по формулам; полученные по номограммам и таблицамТаблица 7.19

Авторы формул и основные характеристики, используемые при оценке пучения промерзающих горных пород II-й надпойменной террасы р. Ингода центральной части Читино-Ингодинской впадины.

Авторы

Н.А. Пузаков(1960)

+

+

+

+

+

И.А. Золотарь(1965)

+

+

+

+

+

+

В.О. Орлов (1985)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Э.Д. Ершов и др. (1985)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

В.С. Петров (2000)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Д.М. Шестернев (2004)

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Натурный эксперимент

280

1,25

1,65

2,70

0,424

0,19

0,235

0,32

-

-

-2,5

-12,9

-

-

-

1,25

-

0,046

, , , , , , , , , , , , , , , , , , , - соответственно глубина сезонного промерзания (см,), плотность скелета грунта, плотность воды, минеральная плотность грунта (г/cм³, кг/м³), суммарная влажность, количество незамерзшей воды, влажность на пределе усадки, влажность на границе раздела фаз со стороны талой зоны, влажность на пределе пучения, критическая влажность (дол.ед.), температура прекращения пучения, средняя температура за зимний период, параметр выражающий связь между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания, коэффициент пропорциональности, численно равный косинусу угла наклона шлиров льда, коэффициент диффузии влаги в мерзлой зоне (см²/с), термоградиентный коэффициент фазовый(1/град), скорость промерзания пород (см/c), коэффициент объемной усадки (доли/ед.), длительность зимнего периода (ч), градиент температур в зоне интенсивных фазовых переходов ( ); + - характеристики входящие в состав математических моделей.

Нами были произведены вычисления относительной ошибки по формуле:

, (7.27)

где , - соответственно расчетные и экспериментальные значения пучения пород, см; - величина относительных ошибок, %.

Полученные нами результаты сходимости натурных значений величины пучения с расчетными значениями даны в таблице 7.20.

Таблица 7.20

Сопоставление аналитических моделей оценки пучения пород по количеству параметров входящих в их структуру и величине относительной ошибки ( ,%) в сравнении с натурными данными.

№ пп	Авторы
1	Н.А. Пузаков(1960)	9	14,1	9,2	53
2	И.А. Золотарь(1965)	5	76,1		727
3	В.О. Орлов (1985)	17	10,7		26
4	Э.Д. Ершов и др. (1985)	16	11,8		28
5	В.С. Петров (2000)	16	12,6		40
6	Д.М. Шестернев (2004)	12	9,7		15

Примечание: - соответственно количество параметров входящих в математические модели; , - расчетные и экспериментальные значения пучения пород, см; - величина относительных ошибок, %.

Из таблицы 5.4 видно, что практически все математические модели дают завышенные результаты в сравнении с экспериментальными исследованиями. Также из ее содержания следует, что наличие меньшего количества параметров, входящих в эмпирическую модель еще не говорит о том, что результаты будут ближе к экспериментально установленным.

Ранее выполненная В.С. Петровым проверка точности математических моделей, указанных авторов в таблице 7, 20 (за исключением модели Д.М. Шестернева) включающих различное количество характеристик, показала, что результаты могут отличаться от 13 до 413% относительно экспериментально установленной величины пучения. Так, относительные ошибки величины пучения, вычисленные по математическим моделям Н.А. Пузакова (1960), И.А. Золотаря (1965), В.О. Орлова (1985), Э.Д. Ершова и др.(1985) для суглинков с влажностью (при прочих равных условиях, кроме мощности ) соответственно равны - 105, 352, 97, 26, а для суглинков с влажностью соответственно - 327, 413, 91, 13%.

Таким образом, результаты проверки эмпирических моделей на сходимость с экспериментально установленным значением величины пучения у нас и у Петрова В.С. совпадают, что позволяет их рекомендовать для предварительной оценки величины пучения пород при инженерном освоении территории Забайкалья.

Полученные автором данной работы результаты и выводы не следует считать окончательными. Продолжение исследований для удовлетворительного решения проблемы нам видится, в следующем:

1) в выборе такой модели, в которой было бы оптимальным сочетание количества экспериментально определяемых и получаемых из дополнительных источников характеристик, дающих возможность производить оценку с заранее заданной точностью;

2) в использовании эталонных значений величины пучения, полученных для дисперсных пород различного генезиса с более широким спектром характеристик физико-механических свойств и термодинамических условий их существования;

3) в создании или модификации существующей модели для оценки величины пучения промерзающих пород для Забайкалья.

Криогенное пучение грунтов – многофакторный и высокодинамичный процесс. Его величина (h_p) является интегральной; значение ее определяется пучением грунтов при миграционно-сегрегационном (h_i) и цементном (h_c) льдовыделении за вычетом усадки (h_u) при обезвоживании промерзающего грунта. Однако по результатам более чем 10-летних полевых стационарных исследований в Забайкалье установлено, что усадка в промерзающих крупнообломочных грунтах столь незначительна, что ею в расчетной схеме можно пренебречь:

h_p=h_i+h_c (7.28)

Пучение грунтов при цементном льдовыделении рассматривается Э.Д.Ершовым и Ю.П.Лебеденко (1985) как пучение вследствие объемного распучивания грунтов при промерзании (h_расп). Предложенная ими аналитическая зависимость для оценки h_распв настоящее время известна в следующем виде:

h_расп=(0,09∙(W_ξ-W_n))∙ ∙ξ (7.29)

где W_ξ– влажность на границе раздела фаз со стороны талой зоны, д.ед.; W_n– количество незамерзшей воды, д.ед.; ξ – глубина промерзания пород, см; ρ_ск, ρ_в – плотность скелета грунта и воды, г/cм³.

Плотность скелета является характеристикой, зависящей от пористости и минерального состава грунтов (Ломтадзе, 1984). Значит, h_расп в формуле (7.28) прямо пропорционально плотности минералов. Это противоречит физическому смыслу формирования пучения при цементном льдовыделении. Таким образом, входящий в состав уравнения множитель нами в дальнейшем рассматриваться не будет.

В формуле расчета распучивания за счет увеличения объема грунта при переходе воды в лед мы предлагаем использовать значение W_tot (значение суммарной влажности пород на конец промерзания), а не влажность на границе фронта промерзания со стороны талой зоны W_ξ, поскольку h_расп, определяется только количеством воды, перешедшей при промерзании в лед.

В связи с тем, что в крупнообломочных грунтах влажность крупнодисперсной составляющей (дресвы, щебня, глыб) составляет преимущественно доли процента, ее значение в формировании пучения практически равно нулю. Поэтому на h_расп оказывает основное влияние влажность мелкозема и его содержание в грунтах.

Таким образом, h_расп крупнообломочных грунтов вычисляется по формуле:

, (7.30)

где , - суммарная влажность и количество незамерзшей воды мелкодисперсной составляющей крупнообломочных грунтов (КОГ), д.ед.; k_мдс =Р_мдс/Р_ког.- относительное содержание мелкодисперсной составляющей КОГ (здесь Р_мдс, Р_ког – соответственно вес мелкодисперсной составляющей – песка, супеси или суглинка и вес крупнообломочного грунта).

Значения h_расп, полученные по формуле (7.29), при сравнении с экспериментальными данными показывают, что ее точность находится в удовлетворительных пределах (табл. 7.21).

Для вычисления характеристик пучения при миграционно-сегрегационном льдовыделении широкое распространение получили экспериментально-теоретические модели. При соответствующей модификации для оценки пучения крупнообломочных грунтов можно, по-видимому, использовать любую из них.

Таблица 7.21.

Проверка точности предложенной зависимости (7.29)

№ стационара		Характеристики для расчета hрасп, см			Экспериментальные значения			Расчетные значения		Погрешность
		kмдс , д.ед.		Wtotмдс, д.ед.	ξ, см		hрасп.э., см	h.расп., см		ε, %
1	2		3	4		5	6		7
1а	0,830		0,29	426		4,10	3,1		24
2а	0,604		0,26	447		2,90	2,1		28
3а	0,347		0,32	453		2,06	1,5		25

Простой структуры, на наш взгляд, отличается формула Э.Д.Ершова и Ю.П.Лебеденко (1985):

, (7.31)

где – коэффициент анизотропии шлиров льда, численно равный косинусу угла их наклона; - коэффициент диффузии влаги в мерзлой зоне, (см²/с); - термоградиентный коэффициент, °С^-1; – градиент температур в зоне интенсивных фазовых переходов, °С/см; ξ – мощность промерзающего грунта, см; V_пр – скорость промерзания грунтов, см∙с^-1.

В структуре формулы следует отметить наличие параметра , имеющего в большей мере субъективный характер и поэтому его определение требует высокой квалификации исследователей. Есть и другая причина, позволяющая нам отказаться от его использования в уравнении (рис. 7.6). Из рисунка 7.6 следует, что изменяется от 0 до 1. В случае, когда угол наклона шлира толщиной 1 см имеет 45°, =cos 45°=0,71. Таким образом, величина пучения грунтов, вычисленная по формуле (7.31), уменьшиться.

Рис. 7.9. Влияние ориентировки шлира льда на изменение коэффициента анизотропии ( ) и пучения грунтов за счет миграционно-сегрегационного льдовыделения (h_i):

а – шлир льда мощностью 1 см; угол наклона шлира: А – λ₀=90°, К_ан=0, h_i=0; В - λ₀=0°, К_ан=1, h_i=1см; С – λ₄₅=0°, К_ан=0,71, h_i=1,4см. Остальные пояснения см. в тексте.

Однако, h_iсогласно рис. 7.6, равно гипотенузе, направленной по нормали к дневной поверхности, т.е. по направлению ее движения при промерзании. Следовательно, h_i при толщине шлира 1 см, сформировавшегося под углом 45°, будет составлять 1,4 см. Если мы будем использовать , то по расчетной зависимости (7.31) получим, что h_i=0,99 см. В итоге ошибка расчета h_ic использованием составит более 29%. Принимая во внимание формулы (7.28), (7.30) и (7.31), включив в структуру формулы коэффициент, показывающий долевое содержание мелкозема, получим зависимость для интегральной оценки пучения КДГС при распучивании и шлировом льдовыделении:

. (7.32)

Для оценки пучения КОГ значительная часть параметров определяется в ходе инженерно-геологических изысканий. В первую очередь, это относится к определению значений тех параметров, которые характеризуют их вводно-физические свойства. Экспериментальное определение , , , ξ и – процесс трудоемкий и требует высокой квалификации исполнителей. Поэтому в практике прямые методы их получения часто заменяют графоаналитическими и эмпирическими. Однако обобщенная эмпирическая формула взаимосвязи коэффициента диффузии с влажностью и плотностью глин Н.Н. Кожевникова (1987) не отличается высокой точностью с экспериментальными кривыми, положенными в ее основу. Использование графических зависимостей для этих целей также снижает точных получаемых результатов. Сформировав массивы данных экспериментальных данных по результатам исследований Э.Д.Ершова (1979), мы нашли эмпирические зависимости для оценки термоградиентных коэффициентов и коэффициентов диффузии влаги в грунтах. Необходимо отметить, что и для крупнообломочных грунтов вычисляются с учетом долевого содержания в них мелкодисперсной составляющей. Поэтому найденные зависимости, в общем виде можно записать следующим образом:

, (7.33)

. (7.334)

где - соответственно значение величины объемной естественной влажности грунтов и объемной влажности грунтов за счет незамерзшей воды, А и В – коэффициенты аппроксимации (см. табл. 7,22), коэффициенты размерности статобработки: , см²∙с^-1, , °С^-1.

Таблица 7.22.

Значения расчетных коэффициентов, используемых в эмпирической зависимости для оценки коэффициентов диффузии и термоградиентных коэффициентов тонкодисперсных грунтов.

Наименование грунтов по ГОСТу 25100-82	Коэффициентов аппроксимации для
	формулы 5,7		формулы 5,8
	А	В	А	В
1	2	3	4	5
Супесь	-	-	11,07	5,35
Супесь легкая пылеватая	7,48	2,56	-	-
Супесь тяжелая пылеватая	12,45	8,70	-	-
Суглинок	-	-	7,53	4,58
Суглинок легкий пылеватый	16,90	13,96	-	-
Суглинок средний пылеватый	17,29	13,72	-	-
Суглинок тяжелый пылеватый	23,75	25,18	-	-

Полученные коэффициенты корреляции показали, что при k_мдс=1 зависимость (7.32) позволяет вычислить с точностью до 0,95 при изменении объемной влажности (W_об) супесей легких пылеватых от 0,12 до 0,26, тяжелых пылеватых – от 0,24 до 0,36, суглинков легких и средних пылеватых – от 0,24 до 0,38 и суглинков тяжелых пылеватых – от 0,30 до 0,43 д.ед.; зависимость (5.8) для поиска - с точностью до 0,97 – при изменении объемного содержания незамерзшей воды (W_n.об) в супесях от 0,03 до 0,1 и в суглинках – от 0,05 до 0,15.

Важное значение для оценки пучения крупнообломочных грунтов имеет методическая схема поиска градиентов температур в зоне интенсивных фазовых переходов, под которой мы понимаем зону грунтов мощностью L (см), ограниченную снизу температурой, равной температуре начала фазовых переходов поровых растворов (t_нф) и сверху, по В.О. Орлову (1962) - температурой прекращения пучения (t_пп):

. (7.35)

Значения , , и ξ для оценки h_p можно получить в ходе экспериментальных исследований в полевых условиях и в результате аналитических вычислений, по результатам определения вводно-физических свойств грунта и наличия данных по распределению среднемесячных температур поверхности грунтов в период промерзания.

Результаты, полученные с использованием первой схемы, представлены в табл.7.23. Из них следует, что точность значений h_р.расч по сравнению с экспериментальными h_{расп..э.} не выходят за пределы 40%, что вполне приемлемо для решения практических задач. Реализация второй схемы поиска h_р, предложенная нами, базируется на вычислении изменений глубин сезонного промерзания во времени ξ(τ).

Из существующих зависимостей для этих целей мы использовали формулу Стефана, которая отличается простотой и частично учитывает теплофизическую сторону процесса (Основы…, 1974):

На одной из стационарных площадок было установлено, что в крупнообломочных грунтах содержится крупнообломочных фракций – 0,337, тонкодисперсной составляющей - 0,663, предзимняя влажность мелкозема, представленного суглинком, - 0,42, суммарная влажность – 0,53, количество незамерзшей воды – 0,112, плотность скелета суглинков – 1,43 г/см³, теплопроводность мерзлых грунтов (λ_м) – 1,97 Вт/мК, теплота фазовых переходов (Q_ф) – 32 000 ккал/м³(10,72·10⁷, Дж/м³).

, (7.36)

где - сумма морозоградусочасов часов, принимаемая по абсолютной величине, за рассматриваемый период.

Таблица 7.23.

Экспериментальные и расчетные характеристики пучения крупнообломочных грунтов на стационарных площадках.

Характеристики пород	Номера стационарных площадок
	1в	2в	1б	2б
Тип пород (по Шестерневу, 1993)	Супесь с дресвой и щебнем	Супесь дресвяно-щебенистая	Суглинок с дресвой и щебнем	Суглинок щебенисто-дресвяный
1	2	3	5	6
ккдс, д.ед.	0,144	0,332	0,183	0,337
кмдс, д.ед.	0,856	0,678	0,817	0,663
Wпрмдс, д.ед.	0,27	0,34	0,34	0,42
Wnмдс, д.ед.	0,061	0,065	0,117	0,112
Wtotмдс, д.ед.	0,36	0,56	0,48	0,53
ρкдгс, г/см3	2,00	2,23	1,97	2,16
ρсккдгс, г/см3	1,63	1,82	1,54	1,69
ρмдс, г/см3	1,51	1,58	1,40	1,43
λммдс, Вт/м°С	1,91	1,91	1,66	1,80
λмкдс, Вт/м°С	2,35	2,35	2,20	2,20
λмкдгс, Вт/м°С	2,27	2,19	2,08	2,03
Vпр.э, см/сут	2,03	2,13	1,23	1,17
ξэ, см	231	283	146	201
, см2∙с-1	5,73∙ 10-5	4,73∙10-4	9,93∙10-5	6,97∙10-5
δtф, °С-1	0,185	0,331	0,469	0,424
gradLt, °С/см	0,089	0,092	0,072	0,079
hр.э, см	6,8	9,2	26,1	36,4
hр.расч, см	9,6	10,7	24,7	41,3
hс, см	1,5	2,85	1,3	1,7
hi, см	8,1	7,89	24,4	39,6
ε, %	40	16	-5	13

Используя эти данные и распределение среднемесячных температур на период промерзания грунтов на стационаре 2а, были получены изменения значений искомых параметров в течение зимнего периода (табл. 7.24).

Таблица 7.24.

Изменение расчетных параметров для оценки пучения грунтов.

Расчетные параметры	Изменение расчетных параметров в зимний период
	X	XI	XII	I	II	III	IV
1	2	3	4	5	6	7	8
tn.ср, °С	-2,6	-13,7	-14,4	-16,2	-10,3	-7,2	-4,8
Στ׀t׀	1872	11 736	22 104	33 768	41 184	46 368	49 824
ξ, см	45	112	154	190	210	223	231
Vпр, см/сут	1,50	2,2	1,4	1,2	0,7	0,4	0,3
gradLt	0,058	0,12	0,09	0,09	0,05	0,03	0,02

Величины значений градиентов температур в зоне интенсивных фазовых переходов вычислялись согласно зависимости:

, (7.37)

где t_п(τ), ξ(τ) – соответственно значение среднемесячной температуры на поверхности грунта (°С) и глубина промерзания (см) на рассматриваемый период, t_пп – температура прекращении пучения (°С) (по В.О.Орлову, 1962). Формула (7.35) легко устанавливается из подоия треугольников (рис. 7.10).

Величины градиентов температур и скорости промерзания пород необходимо принимать, учитывая их средневзвешенные значения, в противном случае (при использовании среднезимних температур и конечного значения сезонного промерзания) возможны значительные ошибки. Исходя из наших предпосылок для рассматриваемой территории, средневзвешенное значение скорости промерзания грунтов равно 1,62см/сут., градиента температур равно 0,082°С/см.

Рис. 7.10. Схема расчета средневзвешенного градиента температур в зоне интенсивных фазовых переходов и скорости промерзания грунтов:

t_n – средневзвешенные значения температуры поверхности грунтов в зимний период; t_пп – температура при прекращении формирования пучения (по В.О.Орлову, 1962); ξ – глубина промерзания грунтов; ξ_t, t_ni – глубина промерзания и среднемесячное значение температуры поверхности грунта за рассматриваемый период; grad_λt – вычисляется из подобия треугольников: ΔСАВ и ΔСС’В’. Другие пояснения см. в тексте.

Расчетное значение глубины сезонного промерзания равно 233 см, экспериментально установленное – 201 см, экспериментально найденная величина пучения – 36,4 см, вычисленная по первой схеме 41,3 (см. табл. 5.4). Подставив значение найденных параметров по второй схеме в уравнение (7.32) и сохранив экспериментально установленную глубину сезонного промерзания грунтов, найдем, что h_р=28,6 см. Относительная ошибка по первой расчетной схеме составляет 13%, по второй – 21%.

Таким образом, предложенная нами аналитическая модель удовлетворяет необходимой точности получаемых результатов. В связи с этим она используется в производственных и научных организациях для прогнозной оценки пучиноопасности грунтов в регионах, характеризующихся распространением многолетнемерзлых крупнообломочных грунтов при строительстве зданий и сооружений с малонагруженными фундаментами.

Мелкозаглубленный (незаглубленный) фундамент конструктивно представляет собой бетонный или железобетонный элемент уложенный, как правило, на подушку или подсыпку из непучинистого материала, которые уменьшают перемещения фундамента, как в период промерзания грунта, так и при его оттаивании.

В качестве материала для устройства подушки (подсыпки) может быть использован песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень, котельный шлак, а также – непучинистые грунты, имеющие показатель дисперсности D < 1. В необходимых случаях для увеличения несущей способности основания целесообразно предусматривать устройство песчано-щебеночной подушки, состоящей из смеси песка крупного, средней крупности (40%), щебня или гравия (60%). При высоком уровне подземных вод и верховодке необходимо предусматривать меры к предохранению материала подушки от заиливания окружающим пучинистым грунтом. Воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, если расстояние от границы промерзания d_fnдо уровня подземных вод, больше значения z, м, (табл. 7.25).

В зависимости от степени пучинистости грунта основания ленточные мелкозаглубленные фундаменты зданий со стенами из кирпича, блоков, панелей следует устраивать: на практически непучинистых, слабопучинистых и среднепучинистых при (при f £ 0,05) грунтах – из бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой;

Таблица 7.25

Минимальное расстояние от границы промерзания до уровня подземных вод

Наименования грунта	значения z, м
Глина с монтмориллонитовой и иллитовой основой Глины с каолинитовой основой Суглинки пылеватые с Iр > 0,13 Суглинки с Iр > 0,13 Суглинки пылеватые с Iр ? 0,13 Суглинки с Iр ? 0,13 Супеси пылеватые с Ip ?? 0,2 Супеси с Iр > 0,02 Супеси с Ip ??0,02 Пески пылеватые Пески мелкие	3,5 2,5 2,5 2,0 2,0 1,8 1,5 1,3 1,0 1,0 0,8

на среднепучинистых (при f > 0,05) и сильнопучинистых грунтах; из сборных железобетонных (керамзитобетонных) блоков, жестко соединенных между собой, или из монолитного железобетона; на среднепучинистых грунтах могут применяться ленточные фундаменты из сборных блоков с устройством над ними и под ними армированных поясов; на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах – армированные монолитные фундаменты с применением при необходимости армированных или железобетонных поясов над проемами верхнего этажа и в уровне перекрытий.

Независимо от степени пучинистости грунта при f > 0,05 ленточные фундаменты всех стен здания должны быть жестко связаны между собой, объединены в единую рамную конструкцию.

Ленточные мелкозаглубленные (незаглубленные) фундаменты зданий из деревянных конструкций следует устраивать: на практически непучинистых и слабопучинистых грунтах – из сборных бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой; на среднепучинистых грунтах – из армированных блоков сечением 0,25х0,2 м и длиной не менее 2 м, укладываемых в два ряда с перевязкой швов; на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах из сборных арми-рованных блоков, жестко соединенных между собой, или монолитного железобетона.

Столбчатые мелкозаглубленные фундаменты на средне- и сильнопучинистых грунтах должны быть жестко связаны между собой фундаментными балками, объединенными в единую рамочную систему.

Протяженные здания следует разрезать по всей высоте на отдельные отсеки, длина которых принимается: для слабопучинистых грунтов до 30 м, среднепучинистых – до 25 и, сильнопучинистых – до 20 м, чрезмерно пучинистых – до 15 м.

Секции зданий, имеющие равную высоту, следует устраивать на

раздельных фундаментах.

Лабораторная работа. Вариант № 1. Оценка пучинистости грунтов.

Цель работы. Определить степень пучинистости грунтов основания для проектирования мелкозаглубленого фундамента одноэтажного здания с полами поцокольному перекрытию, возводимому вблизи г. Чита.

Начальные условия.

плотность сухого суглинка _d= 1,60 т/м³; плотность твердых частиц _s= 2,70 т/м³; природная влажность грунта w₁= 0,295, w₂= 0,26 (неравномерноераспределение по площадке изысканий); влажность на границе текучести w_L= 0,30; влажность на границе раскатывания w_p= 0,22; число пластичности I_p= 0,12; полная влагоемкость грунта w_sat = 0,25; Уровень подземных вод залегает на глубине 5,0 м. Нормативная глубина промерзания d_fn= 3,0 м.

Ход выполнения работы. Определим параметр R_f по формуле 7.26.

В формуле 7,26 w - расчетная предзимняя влажность грунта в слое сезонного промерзания, определена результате изыскания и равна 0,28 д.ед. Значение w_cr - находится по номограмме (рис. 7.8.), М₀ – по СНиП 2301-00[70]. Далее, учитывая, что предварительно найденное значение R_{f (1,5)} было получено для плотности сухого грунта, равного 1, 5, а в нашем случае оно равно 1,6 т/м³ находим окончательно по формуле: R_f = R_{f (1,5)} (1,60/1,50). Далее, используя таблицу 7.18, классифицируем грунт по пучинистости.

Вариант № 2. плотность сухой супеси _d= 1,65 т/м³; плотность твердых частиц _s= 2,68 т/м³; природная влажность грунта w₁= 0,25, w₂= 0,27 (неравномерное распределение по площадке изысканий); влажность на границе текучести w_L= 0,27; влажность на границе раскатывания w_p= 0,20; число пластичности I_p= 0,14; полная влагоемкость грунта w_sat = 0,25; Уровень подземных вод залегает на глубине 3,0 м. Нормативная глубина промерзания d_fn= 3,0 м.