1400

Опыты 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

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-

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.

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

сопротивлению движения стойки, вмороженной в грунт, по мерз­ лому грунту), а именно:

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

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

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

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

- т л

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):

(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.