1400

Сравнение расчетных прогнозов и фактических данных о пу­ чении грунтов при промерзании для других, совершенно различ­ ных климатических и геокриологических условий (включая и районы максимального морозного пучения, например районы Игар­ ки с пылеватыми грунтами) показали, что расхождение в сред­ нем (по 7 площадкам) составляет около 14,3% и ни в одном случае не превышает 22% •

Приведенные сопоставления показывают, что теория тепло- и массообмена с успехом может применяться для прогноза криоген­ ной миграции влаги и величины пучения грунтов при их промер­ зании.

§ 6. Силы морозного пучения грунтов при их воздействии на фундаменты сооружений

Если увеличение объема грунта при промерзании (криогенное пучение) происходит на большой площади равномерно в однород­ ном по составу и влажности слое, то никаких внутренних усилий в грунте не будет возникать — будет иметь место лишь простое рас­ ширение промерзающего слоя грунта. При .ограничении же расшире­ ния или его невозможности могут сформироваться и воздействовать на сооружения значительные по величине силы морозного пучения.

В естественных условиях простое, равномерное расширение про­ мерзающих грунтов почти никогда не наблюдается вследствие неод­ нородности грунтов (по глубине и по площади распространения), а тем более при наличии сооружений, воздействующих на грунты слоя ежегодного промерзания (изменяя их температурный режим, увеличивая давление на нижележащие слои и пр.). Кроме того, и сами грунты при пучении ведут себя по-разному в зависимости от их глинистости, минералогического состава частиц, состава поглощен­ ных катионов и пр.

Характерные кривые пучения грунтов при промерзании для трех типичных грунтов (мелкого песка, дисперсной глины и пылеватого суглинка) по опытам автора показаны на рис. 34. Кривая 1, соответ­ ствующая морозному пучению водонасыщенного песка при промер­ зании его со всех сторон, показывает, что песок весьма быстро уве­ личивается в объеме, хотя и на незначительную величину, а затем (при дальнейшем охлаждении), как и всякое другое твердое тело, уменьшается в объеме. В случае же одностороннего промерзания водонасыщенного песка (как было описано ранее в § 2) и свобод­ ного оттока воды объем песка практически остается неизменным, т. е. морозного пучения не наблюдается.

Совершенно по иному ведет себя дисперсная глина (рис. 34, кривая 2). Вначале имеет место некоторое сжатие образца глины (вследствие увеличения адсорбционных сил пленочной воды и ее вязкости при охлаждении, а также, возможно, и сжатия защемлен­ ных пузырьков воздуха), затем наблюдается пучение грунта, кото­ рое происходит не только в начальный период промораживания, но и значительно позже при дальнейшем охлаждении грунта и замер­ зании новых порцийрыхлосвязанной пленочной воды (как показы-

Порядок максимальной величины нормальных сил морозного пучения можно оценить исходя из величин давлений, которые раз­ вивают кристаллы льда при стесненном замерзании воды. Как из­ вестно, максимальное давление будет развиваться лишь в условиях полной невозможности расширения воды при ее замерзании. Это давление, по данным физики, при температуре 0 = —22°С измеря­ ется огромной величиной, порядка 2115 кГ/см2. При температуре же выше —22°С давления будут значительно меньше.

Для оценки величин давления, которые могут возникать при за­ мерзании воды без возможности ее объемного расширения при температурах выше —22°С, следуя примеру X. Р. Хакимова* и интересному предложению Ю. Г. Куликова и Н. А. Перетрухина **, воспользуемся эмпирической зависимостью Бриджмена — Тамма-

где Ар —давление, кГ/см2\ 0 — абсолютное значение величины от­ рицательной температуры, °С.

При нормальном атмосферном давлении (1 атм или 1 кГ/см2) лед тает, как известно, при 0= 0° С, что вытекает и из уравнения (11.15). При более низких температурах потребуется большее дав­ ление, при достижении которого лед будет таять при данной отри­ цательной температуре. Если давление будет больше, чем по фор­ муле Бриджмена — Таммана, то вода при данной отрицательной температуре (—0°С) не будет замерзать.

Простой расчет по формуле (11.15) дает:

Это будут максимальные давления, которые лед может разви­ вать не оттаивая под действием внешнего давления в области от­ рицательных температур. Однако отмеченные давления смогут сформироваться лишь при замораживании воды в жестком закры­ том со всех сторон сосуде. При замерзании же воды'в грунтах фак­ тическое давление, возникающее в них, будет меньше приведенных величин.

Как показывают расчеты (даже в условиях, благоприятных для развития нормальных сил пучения), если замерзание грунтов будет происходить при температуре, близкой к —0,01° С, что имеет место

*X. Р. Х а к и м о в . Вопросы теории и практики искусственного замора­ живания грунтов. Изд-во АН СССР, 1957.

**Ю. Г. К у л и к о в , Н. А. П е р е т р у х н и . Определение величины нор­ мальных сил пучения. Труды ВНИИ транспортного строительства, вып. 62. Изд-во «Транспорт», 1967.

***Б. П. В е й н б е р г. Лед. Гостехтеориздат, 1940.

(1940 г.) * в специальном полевом опыте определил силу выпучи­ вания деревянных стоек (методом погашения сил выпучивания внешней нагрузкой) и за отсутствием детальных данных о глубине промерзания, распределении сил по поверхности смерзания и пр. отнес полученную силу выпучивания к единице периметра фунда­ мента. Отмеченные, а также и другие опыты (до конца 40-х гг.) от­

носились, главным образом, к определению об­

тов. Диссертация, Лиси, 1950.

***Б. И. Д а л м а т о в , Н. Н. Мо р а р е с к у л . Исследование нормаль­ ных сил пучения ленточной глины при замерзании. Труды ЛИСИ, вып. И, 1951.

****В. О. Орлов . Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов. Изд-во АН СССР, 1962.

с подошвой опытной стойки-прибора (рис, 36). По прогибу сталь­ ной пластины месдозы определялась суммарная величина нормаль­ ных сил морозного пучения, действующих на подошву месдозы. Одновременно с измерением силы пучения определялась мощность промерзшего слоя грунта под подошвой месдозы, его минимальная температура и скорость пучения грунта под меедозой.

На рис. 37 и 38 приведены кривые изменения нормальных сил морозного пучения глинистых грунтов, находящихся до замерза­ ния в пластичном состоянии *.

Месдоза, изменения усилий в которой показаны на рис. 37, бы­ ла заложена на глубине 1,65 м (при глубине залегания вечномерз­

лых грунтов на этой опытной площадке в 4,5 м) ; месзода, соответ­ ствующая рис. 38, была установлена на глубине 0,62 м, причем в летний период слой ежегодного промерзания на этой площадке был пропарен до толщи вечномерзлых грунтов, залегающей на глуби­

не 1,70 м.

Кроме отмеченных опытных стоек-приборов, были установле­ ны еще две стойки с глубиной расположения месдоз на глубине

1,09 и 1,91 м.

На установке с глубиной заложения месдозы на 1,09 м было зафиксировано, что уже при глубине промерзания грунта под по­ дошвой месдозы на 0,18 м величина нормальных сил морозного пу­ чения равнялась 1,6 кГ/см2 и продолжала расти при дальнейшем увеличении слоя мерзлого грунта под подошвой месдозы, а при глубине промерзания в 0,67 м она достигла величины 47 кГ/см2.

Увеличение нормальных сил пучения, по-видимому, продолжа­ лось и далее, но месдоза была проградуирована только до

50 кГ/см2.

Результаты опытов В. О. Орлова по замеру нормальных сил мо­ розного пучения грунтов, замерзающих под подошвой фундамен­ тов, приведены в табл. 7 в несколько сокращенном виде (для трех опытных стоек).

Конечно, приведенные данные следует рассматривать как при­ ближенные, дающие лишь порядок величин нормальных сил мо­ розного пучения,, возникающих при промерзании под подошвой фундаментов дисперсных грунтов при весьма ограниченной возмож­ ности их объемного расширения.

логических факторов и т. п., что требует дальнейшего изучения и учета.

Как общий вывод из результатов приведенных полевых, а так­ же и лабораторных опытов по изучению нормальных сил мороз­ ного пучения грунтов вытекает известное в фундаментостроении положение о том, что закладывать фундаменты сооружений выше глубины сезонного промерзания грунтов ни в коем случае не сле­ дует, так как в противном случае неизбежно возникающие нор­ мальные силы морозного пучения (к тому же в разных местах раз­ ные) вызовут совершенно недопустимые деформации сооружений.