Механика мерзлых грунтов общая и прикладная
..pdfОпыты показали, что в процессе симметричного (относительно вертикальной оси опытного столбчатого фундамента) промерзания грунтов у боковых граней фундаментов возникали горизонтальные силы пучения порядка 0,3—0,35 кГ/см2 при мощности мерзлого слоя 0,9—1,0 м и 0,64—0,66 кГ/см2 при глубине промерзания 1,45—
1,72 м.' Касательные силы морозного пучения являются результатом
действия грунтов, замерзающих у боковых граней фундаментов, и имеют направление по касательной к поверхности фундаментов, соприкасающейся с замерзающим грунтом. Знание величины каса тельных сил морозного пучения грунтов совершенно необходимо при проектировании фундаментов сооружений, возводимых в усло виях вечномерзлых грунтов и глубокого зимнего промерзания, так как расчет фундаментов на выпучивание производится по величине касательных сил морозного пучения, которые ранее отождествляли с так называемыми силами смерзания грунтов с материалом фун даментов. Последние же, по М. Я- Чернышеву *, означают полную силу, которую необходимо приложить к фундаменту, чтобы нару шить его связь с замерзшим вокруг фундамента грунтом методом продавливания.
Было произведено много опытов по определению сил смерза ния, точнее прочности смерзания грунтов с материалом фундамен тов в зависимости от состава грунтов, их влажности (льдистости), величины отрицательной температуры, скорости приложения и вре мени действия сдвигающей нагрузки (Н. А. Цытович, 1932 г.; И. С. Вологдина, 1936 г.; М. Н. Гольдштейн, 1940 г.; С. С. Вялов, 1956 г. и др.) **.
Результаты этих опытов показали значительную величину проч ности смерзания грунтов с материалом фундаментов (порядка 1— 35 кГ/см2) и установили ряд важных зависимостей, а именно:
а) наибольшей прочностью смерзания обладают водонасыщен ные (льдистые) мерзлые пески;
б) наименьшую силу смерзания имеют гравелистые и галечные грунты (при полном их смачивании и свободном стекании воды) — не более 1 кГ/см2-,
в) с уменьшением влажности грунтов прочность смерзания зна чительно уменьшается;
г) с понижением температуры сила смерзания влажных грун
тов и льда увеличивается (до температуры |
0 = —20° С приблизи |
||
тельно по линейной зависимости); |
особенно |
глинистых, |
|
д) прочность смерзания многих грунтов, |
|||
* См. сноску на стр. 85. |
|
|
|
** 1. |
Н. А. Ц ы т о в и ч . Некоторые опыты по определению |
сил смерзания. |
|
Бюлл. № 25 ЛО ВИС. Изд-во «Кубуч», 1932. |
|
|
|
2 - И- |
С. В о л о г д и н а . Силы смерзания мерзлых грунтов с деревом и бето- |
||
ном. Сб. |
1. Лабораторные исследования мерзлых грунтов. Изд. АН СССР, 1936. |
3.См. сноску 2 на стр. 76.
4.См. сноску * на стр. 69.
зависит как от скорости возрастания нагрузки (увеличиваясь с ее возрастанием), так и от времени ее действия, значительно умень шаясь с увеличением времени действия нагрузки.
Эти положения, большая часть которых установлена еще в на чале 30-х годов *, полностью используются и в настоящее время при разработке мер борьбы с выпучиванием фундаментов, что бу дет рассмотрено во второй части настоящей книги.
В свое время Общесоюзным стандартом (ОСТ 9032—39) было рекомендовано использовать максимальные силы смерзания грун тов для расчета ‘устойчивости фундаментов на выпучивание, что, однако, давало силы пучения, в несколько раз преувеличенные по сравнению с наблюдаемыми в натуре.
Дальейшее развитие вопрос о силах смерзания получил в ра ботах: Н. А. Цытовича, М. Н. Гольдштейна, С. С. Вялова и др. Бы ло установлено (Н. А. Цытович,1936 г.), что средняя сила смерза ния по крайней мере в два раза больше силы выпучивания моде лей фундаментов, что прочность смерзания значительно снижается при увеличении продолжительности действия нагрузки (М. Н. Голь дштейн, 1948 г.) и, наконец, что при длительном действии нагруз ки достигается предел длительной прочности смерзания (длитель ная прочность)', нелинейно зависящий от величины отрицательной температуры (С. С. Вялов, 1956 г. и др.).
Существенное влияние на исследование сил морозного пучения оказал кратко описанный ранее двухлетний полевой опыт Н. И. Бы кова (1940 г.) на Сковородинской научной станции HKJIC, соглас но которому величина сил морозного пучения, действующих на де ревянную фундаментную стойку, заложенную в деятельном слое грунтов, была определена равной всего лишь около 0,6 кГ/см2 бо ковой поверхности стойки (120 кГ на 1 пог. см), что побудило по следующих исследователей обратить особое внимание на постанов ку полевых опытов по определению сил пучения промерзающих грунтов. Отметим, что, как показали позднейшие (1958—1963 гг.) опыты в тех же условиях (на Сковородинской станции), силы вы пучивания оказались примерно в 2,5—3 раза большими по сравне нию с полученными Н. И. Быковым.
В настоящее время определение сил морозного выпучивания фундаментов в полевых естественных условиях производят на спе циальных установках по двум схемам: по балочной схеме (рис. 39, а), предложенной В. Ф. Жуковым и др., и по схеме урав новешивания сил (рис. 39, б), предложенной Н. И. Быковым и др.
Вустановке первой схемы динамометром является жесткая ме таллическая балка, прогибы которой от действия силы пучения, передающиеся от фундаментной стойки, окруженной замерзающим грунтом, измеряются чувствительной мессурой. По величине заме ренных прогибов балки и вычисляются действующие силы пучения.
Вустановке по второй схеме всякая подвижка испытательной фундаментной стойки погашается дополнительной нагрузкой, при-
Рис. 39. Установка для полевого определения сил морозного пучения грунтов:
а — по балочной схеме; б — по схеме уравновешивания сил; / — анкер |
|||
ные стойки; 2 — балка |
для измерения |
давлений; 3— прогибомер; 4 — |
|
фундаментная стойка; |
5 — деятельный |
слой; |
6 — толща вечномерзлых |
грунтов; 7 — ящик для загрузки; |
8 — мессура |
Рис. 40. Изменение во времени суммарной силы выпучивания для опытных стоек 1, 2 и 3 в сезон 1958—1959 гг.
чем нагрузка, соответствующая полному прекращению пучения стойки в период промерзания грунта, принимается за максималь ную суммарную силу выпучивания.
Детальные наблюдения, проведенные в течение ряда лет на балочной лучиномерной установке (конструкции ЦНИИСа) * в ус ловиях пучинистых пылеватых суглинков Сковородинской станции, установили скачкообразность протекания процесса выпучивания с нарастанием силы морозного выпучивания по мере увеличения глу бины промерзания грунтов (рис. 40), причем величина относитель ных сил выпучивания (на 1 пог. см стойки), замеренных в течение 1958—1963 гг., изменялась в пределах от 200 до 300 кГ/см, а сред няя величина касательных сил пучения (отнесенных к единице бо ковой поверхности опытной стойки, окруженной замерзающим грунтом) оказалась ровной примерно 1—2 кГ/см2.
Следует признать результаты отмеченных полевых опытов за служивающими полного внимания, однако постановка полевых ис пытаний сил морозного пучения грунтов требует и организации на блюдений в течение ряда зимних сезонов, что посильно лишь спе циальным опытным станциям. Кроме того, результаты опытов с помощью балочных пучиномерных установок, давая порядок ве личин сил морозного пучения грунтов, действующих на фундамен ты, требуют введения поправок на жесткость балочной системы, учета температурных влияний и т. л., что несколько осложняет их применение на практике.
Все изложенное заставило одновременно с полевыми опытами продолжать совершенствовать и лабораторный метод определения сил морозного пучения грунтов, уточняя полученный результат по данным полевых наблюдений.
Здесь важные результаты были получены Б. И. Далматовым в его докторской диссертации, выполненной при консультации ав тора настоящей книги.
Б. И. Далматов исследовал в лабораторных опытах силы смер зания мерзлых грунтов с материалом фундаментов на специаль ном балочном прессе системы Далматова — Минина** методом продавливания стоек, вмороженных в мерзлый грунт (по схеме опытов 1932 г. Н. А. Цытовича) при разной скорости перемещения продавливаемой стойки в грунте и установил, что величина так на зываемых устойчивых (предельных) сил смерзания практически весьма близка к величине касательных сил морозного пучения грунтов. Опыты по методике Б. И. Далматова дают возможность получать кривые изменения сил смерзания (точнее сопротивления сдвигу мерзлого грунта по боковой поверхности стойки, вморожен ной в грунт) в зависимости от времени приложения сдвигающей нагрузки при разной скорости перемещения стойки.
* Н. А. П е р е т р у х н и . |
Сила морозного выпучивания фундаментов. Труды |
ВНИИ Транспортного строительства, в. 62. Изд-во «Транспорт», 1967. |
|
* * 6 . И. Д а л м а т о в . |
Механизированный балочный пресс системы Дал |
матова — Минина. «Приборы и стенды», т. 2, ПС 55—496, 1955.
и 3) постепенного приближения сопротивления сдвигу к некоторой постоянной, устойчивой величине Туе, что наблюдается при дости
жении деформацией некоторой предельной для данных грунтов ве личины.
Как показали соответствующие опыты *, таким предельным значением деформации беспрерывного сдвига при определении «устойчивой величины смерзания» для льдистых глинистых грунтов (пылеватых супесей и суглинков) является величина, равная ~'Ю мм.
Величина максимальных сил смерзания (наивысшая точка кри
вой, рис. 42),как показано Ю. Д. Дуб |
|
|
|
|
|||||
новым **, может приниматься в каче |
|
|
|
|
|||||
стве расчетной |
характеристики |
каса |
|
|
|
|
|||
тельных |
сил |
пучения лишь для на |
|
|
|
|
|||
чального |
периода действия |
сил |
пуче |
|
|
|
|
||
ния на фундамент, когда не наруша |
|
|
|
|
|||||
ется еще |
прочность |
смерзания грунта |
|
|
|
|
|||
с фундаментом и при высоте слоя про |
|
|
|
|
|||||
мерзшего |
грунта не более 0,3 м (в ус |
|
|
|
|
||||
ловиях Сковородино). |
|
|
|
|
|
|
|||
Средняя же величина касательных |
Рис. |
42. Кривая |
изменения |
||||||
сил пучения, как было рекомендова |
во |
времени |
сопротивления |
||||||
но Б. И. Далматовым *** на основании |
сдвигу грунта |
по |
поверхно |
||||||
лабораторных и полевых опытов, прак |
сти |
вмороженной |
в грунт |
||||||
тически равна |
устойчивой |
прочности |
|
модели |
стойки |
||||
смерзания |
(точнее |
установившемуся |
|
|
|
|
сопротивлению движения стойки, вмороженной в грунт, по мерз лому грунту), а именно:
‘'ПуЧ |
(П.16) |
|
Соотношение (11.16) в настоящее время может быть рекомен довано для применения на практике.
Дальнейшие детальные исследования Б. И. Далматова и других (например, ВНИИ Трансстроя) показали, что установившееся со противление сдвигу мерзлого грунта по фундаментной стойке зави сит в первую очередь от величины отрицательной температуры (—0° С), возрастая с ее понижением, и при не очень низкой темпера
туре (примерно до —15° С) |
эта зависимость |
может быть принята |
|
линейной, а именно: |
|
|
|
|
V |
= с + Ь{В), |
П1-17) |
* Н. А. Ц ы т о в и ч |
[и др.]. «Материалы по лабораторным исследованиям |
||
мерзлых грунтов». Сб. 1. Изд-во АН СССР, 1953. |
|
||
** Ю. Д. Д у б н о в . |
Лабораторные исследования касательных сил пучения. |
Труды ВНИИ Трансстроя, вып. 62, 1967.
*** Б. И. Д а л м а т о в . Воздействие морозного пучения грунтов на фунда менты сооружений. Госстройиздат, 1957.
где с и b — параметры линейной зависимости тус= /(0); (0) — абсо лютное значение отрицательной температуры °С.
Для различных грунтов были получены следующие величины па раметров с и Ь:
Б. И. Далматовым для мореного суглинка с=0,5; 6=0,12
для пылеватого суглинка с=0,4; 6=0,10 для пылеватой тяжелой супеси с=0,4; 6 = 0,16
Ю. Д. Дубновым для сковородинского пылеватого суглинка с=0,346; 6 = 0,147
В. И. Пусковым для лёссовидной супеси с=0,7; 6=0,22
для лёссовидного пылеватого суглинка с =0,5; 6= 0,18
|
|
|
|
|
|
Таким образом, |
среднее |
зна |
|||
|
|
|
|
|
|
чение параметров льдистых пыле |
|||||
|
|
|
|
|
|
ватых |
глинистых |
грунтов |
(су |
||
|
|
|
|
|
|
глинков и супесей) может быть |
|||||
|
|
|
|
|
|
•принято равным с= 0,44-0,7/сГ/с.«2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
и 6=0,14-0,2 кГ/см2-град. |
прочно |
||||
|
|
|
|
|
|
Величина устойчивой |
|||||
|
|
|
|
|
|
сти смерзания, точнее установив |
|||||
|
|
|
|
|
|
шегося |
сопротивления |
сдвигу |
|||
го |
30 |
40 |
50 |
ВО |
|
с. грунтов по материалу фундамен- |
|||||
|
тов, нелинейно зависит от влаж |
||||||||||
Рис. 43. Зависимость устойчивого |
ности |
(льдистости) |
грунтов |
(рис. |
|||||||
43), и при изменении ее имеет |
|||||||||||
сопротивления смерзания |
тус |
пы |
|||||||||
леватого суглинка |
с деревом |
от |
максимум, что впервые для сопро |
||||||||
суммарной |
влажности |
мерзлого |
тивления мерзлых грунтов сдвигу |
||||||||
грунта |
Wc по опытам Ю. Д. Дуб |
было |
установлено М. Л. Шейко- |
||||||||
|
|
нова |
|
|
|
вым * еще в 1935—1936 гг. |
|
||||
Приведенные значения устойчивых сил смерзания грунтов с ма |
|||||||||||
териалом фундаментов |
(а следовательно, и касательных сил мороз |
||||||||||
ного пучения грунтов) |
относятся к однородному слою грунта для |
случая постоянной по всей его глубине отрицательной температуры.
В естественных же условиях величина отрицательной температуры
впромерзающих грунтах не постоянна, а меняется от максимума у свободной поверхности грунта до незначительной температуры за мерзания поровой воды у фронта промерзания. В зависимости от температуры будет меняться и величина касательных сил пучения (устойчивых сил смерзания), что необходимо учитывать** при рас чете фундаментов на выпучивание.
Представляет интерес фактическое распределение касательных сил морозного пучения по глубине, действующих на окруженные
* М. Л. Ше й к о в . Сопротивление сдвигу мерзлых грунтов. Сб. I и II «Ла бораторные исследования механических свойств мерзлых грунтов под руководст вом Н. А. Цытовича». Изд-во АН СССР, 1936.
** Н. А. Ц ы т о в и ч. К вопросу расчета фундаментов сооружений, возво димых на вечной мерзлоте. Труды Гипромеза, вып. 2, 1928.
промерзающим грунтом стойки, и их изменения во времени, что впервые было получено Б. И. Далматовым на Игарке с помощью специальных месдоз *. Дальнейшие усовершенствования методики предложены К. Е. Егеревым для лабораторных условий и К. Е. Егеревым и А. А. Жигульским — для полевых. К. Е. Егеревым для ис следования величины и распределения касательных сил морозного пучения в фундаментных стойках (сваях) была разработана специ альная установка «свая-прибор», изготовленная в виде трубы из лис тового дюралюминия, упругие деформации которой, возникающие от морозного пучения окружающего ее грунта, определялись путем измерения изменений омического сопротивления, наклеенных карбомидным клеем на внутреннюю поверхность трубы (или «а спе циальные передаточные кронштейны) электротензодатчиков **. По результатам измерений вычислялась суммарная величина касатель ных сил пучения, а по вей и величина относительных сил пучения тг, выраженных в кГ/пог-см периметра стойки.
Как пример на рис. 44 (из книги В. О. Орлова) приведены по лученные К. Е. Егеревым кривые распределения относительных ка сательных сил морозного пучения, действующих на сваю, окружен ную замерзающим пылеватым суглинком (район г. Игарки).
Из рассмотрения приведенных на рис. 44 эпюр распределения касательных сил морозного пучения, действующих на стойку, окру женную замерзающим грунтом, вытекают следующие выводы: а) максимум относительных сил пучения хг кГ/см, возникая близко от поверхности грунта, с увеличением глубины промерзания пере мещается вниз по направлению к границе промерзания, достигая ~ до 2/3 глубины промерзания; б) с понижением температуры промерзшего слоя грунта наблюдается нарастание средней удель ной величины касательных сил морозного пучения Тцуч кГ/см2, а с возрастанием перемещений мерзлого грунта по стойке — релакса ция (расслабление) сил морозного пучения; в) за величину удель ных (на единицу площади смерзания) касательных сил морозного пучения (по С. С. Вялову*** и В. О. Орлову) можно принимать ве личину длительного сопротивления сдвигу тдл кГ/см2 мерзлого грунта по материалу фундаментов (точнее предельно длительного сопротивления сдвигу. — Н. Ц.).
Приведем некоторые значения удельной величины касательных сил морозного пучения Тпуч кГ/см2, полученных в результате обоб щения многолетних полевых и лабораторных исследований на Игарской научно-исследовательской станции **** для суглинисто
супесчаных грунтов района Игарки при суммарной |
влажности их |
30% (табл. 8). |
|
* См. сноску на стр. 95. |
касательных реак |
** К- Е. Е г е р е в. Электрический метод определения |
ций, распределенных по боковой поверхности вмороженной в грунт нагруженной сваи. Труды Института мерзлотоведения АН СССР, т. XIV, 1958.
***См. сноску на стр. 69.
****£м. сноску **** на стр. 86.
Как общий вывод из изучения материалов исследований каса тельных сил морозного пучения грунтов следует отметить: вели чину касательных сил морозного пучения грунтов для установле ния расчетных характеристик предпочтительно определять опытным путем, преимущественно с помощью полевых пучинных установок; но можно оценить их величину и по результатам лабораторных испытаний; при этом так называемые устойчивые силы смерзания
20 40 Г7 |
О 20 4 0 t z |
0 20 40 Х2 |
- т л
О 20 4 0 Х 7 |
0 20 4 0 1 7 |
0 20 Ш 2 0 20 4 0 Т г л Lо 20 т 7 |
о.о ш |
Гсъгт^- |
О'СЬт^ в п В ' с |
0.30- -15,8
- 0.80- -И 7
-130-
180- -4.4
- 2.30
-2,8(Н
Рис. 44. Распределение относительных касательных сил морозного пучения т2 кГ/см по боковой поверхности сваи-прибора (по опытам К. Е. Егерева):
а 4.XI |
57 |
г.; б — 14.XI |
57 |
г.; в — 25.XI |
57 г.; г — 28.XII 57 г.; |
6 — 11.1 |
58 г.; fi |
ll.III 58 |
г.; |
ж — 16.IV 58 |
г.; |
з — 5.V 58 г.; |
и — 26.V 58 г.; /с — 11 .VI |
58 г.; |
z — глубина |
|
|
|
от |
поверхности; |
— 0°— температура |
|
|
(по Далматову) или предельно длительные сопротивления сдвигу мерзлого грунта по поверхности фундамента (по Вялову) — вели чины по нашему мнению весьма близкие между собой — могут слу жить с достаточной для практических целей точностью для оценки величины действующих в природных условиях касательных сил мо розного пучения грунтов.
С редняя по глубине удельная величина касательны х сил пучения грунтов тПуч кГ/см2
Глубина промерзания, м
Геокриологические условия |
Материал |
фунта мента |
0 1 о
0-1,0 0 -1 ,5 0 - 2 ,5 |
0 -3 ,5 |
и более |
Промерзающий |
слой сливает |
Дерево |
2,7 |
1,4 |
1,0 |
— |
— |
|
ся с |
толщей |
вечномерзлых |
|
|
|
|
|
|
грунтов |
|
|
Железо |
3,0 |
1,6 |
1,1 |
— |
— |
|
|
|
||||||
|
|
|
бетон |
|
|
|
|
|
Промерзающий |
слой не сли |
Дерево |
2,7 |
1,4 |
1,2 |
1,0 |
0,8 |
|
вается |
с вечномерзлой толщей |
|
|
|
|
|
|
|
(или вечномерзлые грунты от |
|
|
1,6 |
1,35 |
1,0 |
0,8 |
||
сутствуют) |
|
Железо |
3,0 |
|||||
|
|
|
бетон |
|
|
|
|
|
§ 7. О мерах борьбы с морозным пучением грунтов
Меры борьбы с морозным пучением грунтов впервые стали при
меняться |
в нашей стране при строительстве дорог еще в первой |
половине |
прошлого столетия **, а в последние десятилетия и в |
фундаментостроении.
В настоящее время в разработке и применении противопучинных мер можно различать два основных направления.
1. Противопучинная мелиорация грунтов земляных элементов сооружений и их оснований, ставящая своей целью уменьшение или
полную ликвидацию морозного пучения.
2. Противопучинная стабилизация фундаментов и сооружении, обеспечивающая устойчивость сооружений при морозном пучении грунтов как естественного сложения, так и подвергнутых специаль
ной обработке.
Это направление будет рассмотрено во второй части ^книги. Остановимся подробнее на способах противопучинной мелиора
ции грунтов, которые включают четыре группы мер:
1) механические, заключающиеся в простейшей обработке, изменяющей состав (частично или полностью) и плотность грун
тов или же увеличивающей нагрузку на них; 2) теплофизические, направленные на изменения температурно
влажностного режима грунтов, снижающие или полностью ликви дирующие миграцию влаги и морозное пучение;
* Материалы |
по |
данному параграфу |
подготовлены ст. |
н. с. |
МИСИ |
Я. А. Кроником (на |
базе его диссертации, 1970 г.) и обработаны |
автором |
книги. |
||
** А. Я- Т у л а е в. |
Обзор литературных |
работ, посвященных изучению пу |
|||
чин и мерам борьбы с ними, вып. II. Дориздат, 1941. |
|
|