Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1261 вуз, 4613 предмет.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

..pdf
Скачиваний:
80
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
20.8 Mб
Скачать
☆

вечномерзлых грунтах определяется по формуле

(СНиП И-Б.6 — 6 6

 

п. 5.35):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s0TT=yi (l — JIBi) e0TThi +

2

KBJIBlhh

 

 

(VI. 11)

 

 

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

где JIBi — льдистость за счет

ледяных

включений — определяется

 

по результатам специальных опытов или вычисляется

по формуле

 

(1 .6 ); вотт — относительное

сжатие

грунта

между

ледяными

про­

 

слойками (обозначение наше. — Н. Ц.); по СНиПу е0тт= 6 г.

 

 

Значение

 

коэффициента

Кв — принимается

в

зависимости от

 

толщины Ал ледяных включений: при Дл= 1 см /Св = 0,4; при Дл>

 

> 1 < 3 см /Св = 0,6 и при Ал^ 3 см Лв = 0 ,8 . Конечно,

приведенные

 

значения Кв весьма ориентировочные, требующие в дальнейшем

 

своего уточнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует, однако, отметить, что ввиду практически весьма боль­

 

шой сложности и возможных существенных неточностей

как

при

 

определении

льдистости за

счет ледяных включений Л Пу так

и по

 

результатам непосредственного измерения ледяных включений в

 

процессе исследования вечномерзлых грунтов (что допускается

 

СНиПом), прогноз осадок мерзлых грунтов при оттаивании их под

 

фундаментами сооружений по формуле (VI.11) может иметь значи­

 

тельные трудности,

особенно для

вечномерзлых

грунтов

сетчатой

 

текстуры и с линзовидными включениями льда.

 

 

 

 

 

 

При наличии лишь сплошных, выдержанных по площади

 

(влияющей

на осадки фундаментов) (прослойков

льда

толщиной

 

более нескольких миллиметров, размеры которых могут быть за­

 

мерены при изысканиях, можно рекомендовать к величине осадки,

 

определяемой

по

формуле

(VI. 10), добавлять осадку за

счет пол­

 

ного оттаивания прослойков льда

(толщиной Дл), так

как опыты

 

показывают, что пустоты в грунте от

вытаивания

прослоек

льда

 

постепенно полностью закрываются, что же касается мелких линз,

 

пленок льда «и пр., то они

будут учтены суммарно при опытном

 

определении величины коэффициента оттаивания А{.

 

 

 

 

Тогда, формула

(VI. 10)

для осадки мерзлых грунтов при отта­

 

ивании их под сооружениями

принимает следующий вид:

 

 

 

•

O S

T ~

T

Ai (

А 2

/

-

(F v

+ д

 

„

^

)

4) -

+

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

Конечно, в последний член этого выражения можно вводить и коэффициент неполного смыкания полостей грунта от вытаивания льда Кв, но автор считает это -излишним.

При действии местной нагрузки (от фундаментов сооружений) более точные результаты определения осадки уплотнения оттаи­ вающих грунтов дает метод автора — метод эквивалентного слоя, известный из общей механики грунтов. Для фундаментов с за­

данными размерами площади подошвы (определяемой по предва­ рительному расчету) при известном коэффициенте относительной баковой деформации р0 определяется коэффициент эквивалентно­ го слоя Ао)т (как для средней осадки жестких фундаментов), а по нему и известной ширине подошвы фундамента b — мощность эквивалентного слоя грунта Лэ, осадка которого в точности равно­ велика осадке уплотнения грунтов под фундаментом. По формуле (V.23)

Л9 = Ла>т6.

Некоторые значения коэффициента эквивалентного слоя Лсот при fx0 = 0,3 приведены в табл. 37.

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 37

Значения

коэффициента

эквивалентного слоя Лсот

 

 

 

Отношение длины площади подошвы к ширине а—/, Ь

Знач

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

3

5

10 и более*

0 ,3

1. 17

1,60

 

1,89

2,25

2,7 7

П р и м е ч а н и е .

При других значениях ц0

величина

умножается

на коэффи-

иент М, равный: при

ц о “ 0,1 М=0,83; при

ц0 —0,2

М = 0,87; при ц0 =0,4 Af—1,47.

 

Средний коэффициент уплотнения слоистой толщи оттаиваю­ щих грунтов (до максимальной глубины активной зоны уплотне­ ния, равной # а= 2 /гэ) определяется по приведенной ранее формуле (V.25), в которой а 0г заменяется на ас

а

2

h ia i z i

(V.25')

т

2

 

 

2hэ

 

где Zi — расстояние от середины каждого слоя грунта до

глубины

2К

Тогда осадка уплотнения оттаявшего грунта только от действия

внешней нагрузки р будет определяться формулой

(V.24):

sp= M m/v

(V.24')

Или, учитывая осадку оттаивания и осадку уплотнения оттаи­ вающего грунта от действия его собственного веса уг-, применяя ме­ тод эквивалентного слоя, окончательно будем иметь:

п

п

п

п

Для однородного по глубине мерзлого грунта (без отдельных выдержанных по площади ледяных прослойков) уравнение (V.13) принимает более простой вид:

50тт« Л А + - ^ ( Л * + 2 //А ) + 5 А /> ( 1 -

(VI. 14)

где Н — глубина заложения фундамента.

при глубине от­

Отметим, что последний член формулы (VI.14)

таивания Л ^ 2 ЛЯпринимает постоянное значение, равное ahap. Формулы (VI.13), (VI.14) учитывают наибольшее число факто­

ров, влияющих на полную стабилизированную осадку уплотнения оттаивающих грунтов под фундаментами сооружений.

Нами были произведены контрольные лабораторные определе­ ния осадок мерзлых грунтов при оттаивании: однородного мерзло­

го песка (опыт 1 )

и

леока при

наличии

мощной

прослойки

(в 25 мм)

чистого

льда

(опыты 2, 3 и 4)

на

глубине

25 мм под

штампом‘50Х50 мм при давлении на него

2 кГ/см2 и температуре

его от + 1 0

до +16° С. Коэффициент уплотнения при

оттаивании

был определен в компрессионном

опыте и оказался

равным а—

—0,01 см2/кГ; коэффициент оттаивания А был вычислен по резуль­ татам опыта 1 и имел величину А = 0,23 для песка и был принят равным А —1 для чистого льда.

Результаты сопоставления расчетных [по формуле (VI. 13) с учетом прослойки льда] и фактически замеренных осадок приведе­ ны в табл.38 *

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 38

 

Значение расчетны х и фактических осадок

мерзлы х грунтов

 

 

 

 

при

оттаивании в

опы тах 2,

3, 4

 

 

 

 

 

 

 

 

Осадки, мм

№ опыта

 

Условия опыта

Глубина

 

фактические

 

оттаивания, мм

 

 

 

 

 

 

 

расчетные

(замеренные)

1

Однородный

мерзлый песок .

14

 

3,48

2

Мерзлый

песок

с прослойкой

26

7,2

7,3

3

льда

в 25

мм

на

глубине Ь/2

То

же

 

 

 

34

15,2

14,7

4

 

»

 

 

 

39

20,2

21,9

Полученные данные указывают на достаточно хорошую сходи­ мость расчетных и экспериментальных данных даже в случае рез­ ко выраженной слоистости мерзлых грунтов (при наличии в них мощного прослойка льда).

В заключение отметим, что изложенное в настоящем^ параграфе определение осадок фундаментов на мерзлых грунтах при их отта-

Д етальная таблица осадок ш тампа

на

оттаиваю щ ем слоистом мерзлом

грунте в описанны х опы тах приведена в

книге

Н .

А. Ц ы т о в и ч а «Принципы

механики мерзлы х грунтов», стр. 145— 147.

И зд . АН

С С С Р, 1952.

ивании, как указывалось «ранее, относится лишь к полной стабили­ зированной осадке уплотнения грунтов под фундаментами при полной глубине оттаивания мерзлых грунтов; определение же из­ менений осадок во времени, что также имеет важное значение, требует особого рассмотрения.

§ 5. Прогноз протекания осадок во времени при оттаивании крупноскелетных грунтов

Процесс протекания осадок мерзлых грунтов при их оттаива­ нии во времени отличается от процесса протекания осадок немерз­ лых грунтов, во-первых, тем, что осадка оттаивающих грунтов не заканчивается в момент их оттаивания (особенно мерзлых гли­ нистых грунтов), а продолжается еще некоторое время и, во-вто­ рых, характер изменения осадок во времени зависит не только от свойств оттаивающих грунтов, но и от скорости и режима оттаи­ вания.

Еще в 1938—1940 гг. и позднее были поставлены специальные опыты по изучению процесса протекания осадок мерзлых грунтов при оттаивании при различном режиме оттаивания. Не останавли­ ваясь подробно на описании этих опытов *, приведем лишь некото­ рые результаты их в виде кривых осадок во времени, построенных как средние из нескольких измерений осадок мерзлых грунтов при оттаивании в условиях строгого соблюдения параллельности отта­ ивания грунта (в одометрах, ем. рис. 106) и граничных условий одномерной задачи.

На рис. 113 приведена кривая осадок оттаивающего песка при

постоянной температуре

нагревателя одометра (0 = const) как

средняя из пяти опытов

(среднеквадратичное отклонение до 7,8%,

что объясняется трудностью заготовки идентичных образцов), а на рис. 114 такая же кривая для мерзлой глины при оттаивании как средняя из трех опытов (при среднеквадратичном отклонении до 3,7%). Начальная высота для всех образцов мерзлых грунтов бы­

ла

~5,17 см, внешняя нагрузка р=3 кГ/см2; время оттаивания

для

образцов песка

£ср= 52 мин, для образцов глины tcр = 100 мин.

 

На рис. 113 и 114 сплошной линией нанесены кривые st осадок,

пропорциональных

|/ /, т. е. st= а\/ t, которые хорошо соответст­

вуют средним экспериментальным данным. Это показывает, что как для мерзлого пеока, так и мерзлой глины, осадки в рассмат­ риваемых условиях пропорциональны глубине оттаива«ния h. По­ следняя по известному решению теплофизики для одномерной за­ дачи, как известно, определяется выражением

h = h V l

(VI. i5)

где рt — тепловой коэффициент.

при другом законе из­

В этой формуле р* = const при 0 = const;

менения температуры нагревателя поверхности слоя грунта, напри-

* См. сноску на стр. 26 и 42.

Рис. 113. Изменения осадок мерзлого песка во времени при от­ таивании при одновременном уплотнении давлением р = 3 кГ/см2:

О — опыт 1; V — опыт 2; Л — опыт

3; □ — опыт 4; • —опыт 5;

--------------аналитическая

кривая

+ Э°С

Рис. 114. Изменения осадок мерзлой глины во времени при от­ таивании:

О — опыт 1; V опыт 2: Д — опыт 3; □ — точки аналитической кривой

5 =а.у t

мер, при линейном ( 0 = 5/), p * = a i)//, а при параболическом ( 0 = С/2), что очень близко к характеру повышения температуры у

подошвы фундаментов при прогревании ими мерзлого

грунта,

р/' = юг/- Тогда осадка мерзлого грунта при оттаивании в

случае

линейного изменения температуры нагревания будет также линей­

но зависеть от времени, так как

h= pt У t, или

подставляя р /=

= ai У t, получим

 

 

A' =

a,/.

(VI. 15')

При параболическом же изменении температуры нагревания грун­ та кривая осадок (величина которых пропорциональна /г) будет криволинейна, так как при р/'=|аг/, получим

h!' = а / ' 2. (VI. 15")

15

10

5

О

0,2

ОЛ

0.6

0.8

ЬО

1,2

1,4

16

1.8

2,0

2.2

U

2.6

2.8

Рис. 115. Осадка мерзлого песка во времени при линейном возрастании температуры на­

гревателя

до

t = 30 мин:

 

О — опыт Г, V — опыт

2;

Л —опыт

3; • — опыт

4;

•--------------средняя

кривая

 

 

Последние закономерности

(VI. 15') и

(VI.15")

подтверждают­

ся полностью непосредственными опытами, результаты которых приведены на рис. 115 и 116 для оттаивающего песка при перемен­ ной температуре нагревателя поверхности грунта в течение некото­ рого времени t (возрастающей линейно — рис. 115, до /' = 30 мин и криволинейно — рис. 116, до /' = 50 мин).

Из изложенных теоретических соображений и результатов не­ посредственных опытов, а также наблюдений в натуре вытекает, что очертание кривых изменения осадок мерзлых грунтов при от­ таивании и уплотнении во времени зависит не только от физиче­ ских свойстн оттаивающего грунта и величины внешней нагрузки, но и от температурного режима нагреваемой поверхности грунта.

Переходя к расчету протекания осадок оттаивающих крупно­ скелетных и песчаных (водопроницаемых) грунтов во времени, можно принимать, что осадки за время t пропорциональны глуби­ не протаивания мерзлых крупноскелетных грунтов h и будут ста­ билизироваться в процессе оттаивания, хотя (строго говоря) они будут несколько нарастать (иногда весьма немного) еще и после оттаивания, чем, однако, в практических расчетах можно пре­ небречь.

Так, .например, как вытекает из кривой осадок оттаивающего песка (см. рис. 113) при £=50 мин, т. е. после полного оттаивания

 

Рис. 116.

Осадки мерзлого песка

(1—0,25 мм)

при

 

оттаивании с одновременным уплотнением при изме­

 

нении температуры нагревателя 0 по криволинейному

 

 

закону до 1=50

мин:

 

 

 

 

О — опыт

1; V — опыт

2; Д — опыт

3 ;-------------- средняя

 

 

 

кривая

 

 

 

 

 

мерзлого

песка,

осадки

возрастают

(хотя

и

незначительно,

примерно

до 1 0 %)

за счет

(как полагает

автор) ползучести мине­

рального

скелета мерзлого

песка. Тогда

и

для

прогноза осадок

крупноскелетных мерзлых грунтов во времени при их протаивании с одновременным уплотнением постоянной нагрузкой будут дейст­ вительны выведенные ранее формулы для стабилизированных оса­ док оттаивающих грунтов, в которых необходимо только заменить постоянную величину полного оттаивания h на переменную во вре­ мени (определяемую теплотехническим расчетом) глубину протаи­ вания ht. Например, формула (VI. 14) принимает тогда для осадок фундаментов на оттаивающих однородных крупноскелетных грун­ тах следующий вид:

st= Aht + -?L(h] + 2Hht) + ahtp { \ - - ~ у (VI. 14')

В других формулах осадок фундаментов на оттаивающих водопро­ ницаемых грунтах (песчаных, крупноскелетных, галечных и пр.), например в формулах (VI.9) или (VI.13), необходимо распростра­ нить знак суммы от нуля до глубины оттаивания ht.

Отметим, что по СНиП П-Б.6 — 6 6 для предварительных расче­ тов допускается определять осадку крупноскелетных грунтов при

оттаивании по величине полной относительной

деформации * е,-

при оттаивании:

 

*/

(VI. 16)

st ^ y eihh

'о

 

при этом величина егопределяется по результатам пробной на­ грузки или вычисляется ориентировочно по формуле Н. Ф. Кисе­ лева:

„

__

К(ск)т

Т(ск)м

(VI. 17)

в

'1 ~

УI(ск)т

 

где у(ск)т— объемный вес скелета

талого грунта (допускается при­

нимать равным объемному весу скелета сухого грунта при макси­

мальной плотности);

У(Ск)м — объемный

вес

скелета

 

мерзлого

грунта (Т(ск)м

» гДе YM— объемный вес мерзлого грунта).

Пример 9. Определить осадку фундамента парового

котла,

возводимого на

вечномерзлом песке внутри отапливаемого здания.

/= 8

м, Ь= 4 м;

давление на

Дано: размеры площади

подошвы фундамента

грунт р=1,б кГ!см2=\Ъ т/м2\ глубина

заложения фундамента # = 2

м. Свойства

оттаивающего песка: у=1,85

Т/м3, коэффициент

оттаивания Л = 0,015;

коэффици­

ент уплотнения при оттаивании а=0,008 м2/Т\

тепловой коэффициент (найден­

ный по решению теплотехнической задачи протаивания)

|3* = 5 м -год' I t .

 

Так как фундамент расположен по середине отапливаемого здания, то в опре­

деленных пределах можно полагать, что глубина оттаивания будет равна

 

ht

= VT.

 

р

<

 

 

 

 

Определим осадку фундамента для ряда значений t,

например: для

/ = 0,3 го­

да, t= 1 год, t —2 года и /= 5 лет.

слоя h0 по формуле (V.23)

при отношении

Найдем мощность эквивалентного

сторон площади подошвы фундамента

а = //6 = 8/4=2

и значении

коэффициента

относительного бокового расширения для песка JIO= 0,2.

По табл. 37 при |ло=0,2 с учетом коэффициента М=0,87 и а = 2 для средней

осадки фундамента

 

А<*,п = 1,60-0,87 =

1,39.

Тогда мощность эквивалентного слоя грунта

 

Лэ = АыгпВ = 1,39-4 = 5,56 м

и 2/гэ = 1 1 , 1 2 л .

Определим, например, осадку через 0,3 года:

 

* В СНиПе относительная деформация обозначена бi.

при *=0,3 года ht=ey 3=2,74 м.

Тогда осадка фундамента [по формуле (VI. 14')]

«о,з =

0,015-2,74 +

-

,00° ^ 1,85

(2,742 + 2-2,74-2) +

 

 

0,0008-15-2,74

2,74

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

=

0,041 + 0 ,0 1 3 7 +

0,0288 =

0,0836

* « 8 , 4

см.

 

4-5,56

При t = 1 год

получим ht =

Ь

\ — Ь м

п

 

 

 

 

 

Л Л, г

„

 

0,0008-1,85

(52 +

5-2-2) +

 

 

 

 

s, = 0,015-5 +

—1------— —

 

 

 

+ 0,0008-15-5 ^1 — ~22~24~) = 0,1548

* « 1 5 , 5

см.

 

 

Точно так же находим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при *=2 года 52=22,2 см и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при *=5 лет 55= 35,9 см.

 

 

 

 

 

 

 

По полученным в примере данным по­

 

 

 

строена кривая осадок фундамента парового

 

 

 

котла при оттаивании вечномерзлого песчаного

 

 

 

грунта

в основании фундамента

за время

в

 

 

 

5 лет

(рис. 117).

 

 

 

 

Рис. 117. Расчетная кривая осадок фундамента на от­ таивающем песке

Отметим, что в случае возведения фундаментов на мерзлой глине при ее оттаивании расчет осадок во времени будет значительно сложнее, так как не­ обходимо учитывать консолидацию (уплотнение во времени) глины в про­ цессе оттаивания и доуплотнения ее после полного оттаивания.

§ 6. Прогноз протекания осадок во времени при оттаивании дисперсных (глинистых) грунтов

При расчете осадок оттаивающих глинистых грунтов во време­ ни необходимо учесть возможность их неполной консолидации в процессе оттаивания с одновременным нагружением, так как для этого вида грунтов скорость уплотнения под действием внешней

.нагрузки и собственного веса грунта может оказаться 'меньше ско­ рости протаивания. В зависимости от водопроницаемости оттаи­ вающих грунтов время их полного уплотнения может отставать от времени оттаивания, причем в нижней зоне толщи оттаявших грун­ тов сопротивление их сдвигу будет меньше, так как сцепление при оттаивании грунтов падает до незначительной величины с0Тт, а со_ противление трению — до значений, равных tgcp0тт(р—и), где и — давление, воспринимаемое поровой водой (а не минеральным ске­ летом грунта), так называемое поровое давление.

Все это обусловливает опасность их быстрого оттаивания и мо­ жет явиться причиной неустойчивости оттаивающей и оттаявшей толщ грунтов.

Так как в большинстве случаев вечномерзлые грунты в услови­ ях их естественного залегания имеют норы, заполненные льдом и при оттаивании насыщенные водой, то в дальнейшем рассматри­ вается только консолидация при оттаивании .маловодопроницае­ мых, но насыщенных водой дисперсных грунтов.

Исследования консолидации мерзлых дисперсных (глинистых) грунтов при их оттаивании с одновременным уплотнением нагруз­ кой впервые были поставлены еще в 1938—1940 гг* и в те же годы разработан инженерный метод прогноза осадок оттаивающих грун­ тов во времени, который базировался на принятии линейного рас­ пределения по глубине оттаивающего слоя грунта уплотняющих давлений во все время оттаивания, как в случае одномерной, так и пространственной задач (путем приведения решения пространст­ венной задачи к эквивалентной одномерной), при этом был принят постулат о применимости теории фильтрационной консолидации к оттаивающим водонасыщенным грунтам.

В дальнейшем (в 1955—1965 гг.) были поставлены под руко­ водством автора обширные эксприментальные исследования кон­ солидации сильнольдистых грунтов ** при их оттаивании с одновре­ менным уплотнением, со строгим соблюдением граничных условий, с замером поровых давлений, относительных осадок и пр.

Некоторые результаты отмеченных экспериментальных иссле­ дований показаны графически на рис. 118.

Детально проведенные опыты позволили установить ряд поло­

жений, явившихся основой для дальнейшей разработки

теории

прогноза

осадок оттаивающих дисперсных грунтов во времени.

1. На

компрессионной

кривой

оттаивающих

грунтов

(рис. 118, а) следует различать по крайней мере три характерных участка: участок 1 М — уплотнение грунта в мерзлом состоянии, обусловленное миграционно-вязкой деформацией; участок 1 - 2 — резкое изменение структуры грунта в процессе оттаивания, уплот­ нения и фильтрационного (для сильнольдистых грунтов) отжатия воды и, наконец, участок 2-3 — доуплотнение после оттаивания, обусловленное остаточно-фильтрационной консолидацией и ползу­ честью минерального скелета оттаявшего грунта.

2 . Подтверждено положение о применимости теории фильтра­ ционной консолидации к описанию процесса осадок сильнольди­ стых грунтов при их протаивании.

3. Подтверждена также пропорциональность глубины протаивания сильнольдистых грунтов и их осадки до момента полного

оттаивания (в условиях одномерной задачи)

корню квадратному

из времени.

консолидация оттаивающих сильнольдис­

4. Установлено, что

тых грунтов протекает практически при постоянном поровом

дав­

* 1. См. сноску на стр.

26

и 2.

Н. А. Ц ы т о в и ч .

Расчет осадок

фунда­

ментов. Стройиздат, 1941.

 

 

 

 

 

 

** 1. Н. А. Ц ы т о в и ч ,

Ю.

К.

З а р е ц к и й , В.

Г.

Г р и г о р ь е в а [и др.].

О консолидации оттаивающих грунтов. Доклады к VI Международному конгрес­ су по механике грунтов. Стройиздат, 1965; 2. См. сноску на стр. 227.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности