книги / Основы прикладной геомеханики в строительстве
..pdfВыбор принципа строительства базируется на детальных гео криологических (мерзлотных) исследованиях (см. 5.3) и зависит также от конструктивных особенностей возводимого сооружения (размеров площади застройки, конструкции перекрытия первого этажа, устройства цоколя и пр.) и температурного режима (горя чий, холодный) сооружения.
Главнейшими показателями свойств вечномерзлых грунтов бу дут: температура на глубине заложения фундаментов; состояние грунтов (твердомерзлые — температура их ниже температуры фа зовых переходов, для таких грунтов нет необходимости рассчиты вать осадку; пластично-мерзлые — температура их близка или вы ше температуры перехода из твердомерзлого в пластично-мерзлое состояние — по СНиП 11-18—76, п. 2, 4, для таких грунтов необхо димо прогнозировать осадку фундаментов возводимых сооружений, так как коэффициент относительной сжимаемости пластично-мерз
лых грунтов пгш ж1/£ом> 0,001 |
см2/кгс); объемная льдистость веч |
||
номерзлых грунтов (сильнольдистые — при |
/об^50% , требующие |
||
особых мер |
при возведении |
сооружений; |
слабольдистые — при |
*’о б ^ 25%); |
просадочность (просадочные — при величине коэффи |
||
циента оттаивания Ао^0,02; непросадочные при Ао<0,02); расчет ная несущая способность в мерзлом и оттаявшем состояниях (по начРкр или по приложению 6 СНиП П-18—76).
В настоящее время первый принцип — сохранение мерзлого со стояния грунтов — наиболее широко применяется в строительной практике при любых вечномерзлых грунтах: сильнольдистых, гли нистых, пылеватых заторфованных, с прослойками льда и пр. Ме тоды расчета фундаментов, возводимых по первому принципу, впер вые предложенные Н. А. Цытовичем [49, с. 446] и в дальнейшем усовершенствованные, полностью себя оправдали. Например, возве дение и эксплуатация первого капитального промышленного зда ния Якутской центральной электростанции (ЯЦЭС), существую щего без недопустимых деформаций с 1933 г., Нарынской высоко горной научной станции на леднике Петрова (Алтай) и др.
Основные условия устойчивого строительства на вечномерзлых грунтах (по первому и второму принципам). С т р о и т е л ь с т в о по п р и н ц и п у с о х р а н е н и я в е ч н о м е р з л о г о с о с т о я ния г р у н т о в о с н о в а н и я . Так как при установившемся дви жении тепла (в одномерной задаче, например, при ширине соору жения, в несколько раз превышающей глубину летнего оттаива ния), согласно известному уравнению установившегося движения тепла Фурье, количество тепла, выделяемое полом здания, будет пропорционально разности температуры, обратно пропорционально термическому сопротивлению пола и прямо пропорционально вре мени нагрева соорузкения, то сохранить с течением времени в мерз лом состоянии основание фундаментов капитального сооружения (особенно при значительной площади застройки) без специальных
мер невозможно.
Наиболее простой метод сохранения грунтов основания в мерз лом состоянии — это устройство проветриваемого зимой подполья,
Другим способом сохранения вечномерзлого состояния, особен но в производственных зданиях с полами на поверхности грунта, является устройство системы охлаждающих труб или специальных каналов с естественной или принудительной вентиляцией, саморе
гулирующих |
охлаждающих устройств (системы |
С. И. Гапеева, |
Е. Л. Лонга |
и др.) с автоматической -циркуляцией |
хладоносителя |
(керосина, фреона и пр.), а также специальные меры по усилению охлаждения грунтов основания, например устройство тепловой тяги внутри отапливаемого здания, соединенной с охлаждающими ос нование установками, и т. п.
В последние годы применяют и методы искусственного регули рования температурных полей в основаниях сооружений, возводи мых на вечномерзлых грунтах, путем устройства специальной си стемы самоохлаждения фундаментов глубокого заложения (систе ма Г. Н. Максимова * и др.).
Строительство по принципу изменения мерзлого состояния ос нований. Этот принцип применяют в тех случаях, когда темпера турный режим вечномерзлых грунтов территории застройки неусюйчив, грунты при оттаивании непросадочные (в подавляющем числе случаев это крупнозернистые пески, галечники или крупно обломочные породы) и прогнозируемые осадки их при оттаивании меньше предельных величин для данного вида сооружений.
Метод учета осадок оттаивающих вечномерзлых грунтов осно вания по опыту Якутской научно-.исследовательской мерзлотной станции АН СССР применяется в случае выполнения следующих условий: средняя осадка оттаивающего основания scp должна быть менее определенной величины, например для района Якутска
£ср^0,25 мм/м при р ^ 2 |
кгс/см2; разность осадок соседних фунда |
|
ментов A s ^ ± s Cp/4 и, кроме того, желательно, |
чтобы сохранилось |
|
соотношение А0/а0^ 3 |
(где А0— коэффициент |
оттаивания, а0— |
коэффициент уплотнения мерзлых грунтов в процессе оттаи вания) .
Необходимо также (во избежание боковых выдавливаний от таивающего грунта из-под фундаментов) иметь в виду следующее: начальная несущая способность грунта Ra должна быть менее или
равна нач /?кр, т. е. удовлетворять зависимости |
|
^ nct -\- Уср^ср» |
(5.71) |
где ct — длительное сцепление оттаявшего |
грунта, определяемое, |
например, по методу шаровой пробы Н. А. Цытовича [см. формулу
(2.69)]; |
уср— средний объемный |
вес (масса) |
грунта от поверхно |
сти до |
подошвы фундаментов; |
hc$— глубина |
заложения фунда |
ментов. |
|
|
|
* Максимов Г. Н. Опыт и перспектива применения укрепления грунтов в районах вечной мерзлоты. — Труды совещания МГУ. М., 1961; Максимов Г. Н. Охлаждение высокотемпературных вечномерзлых грунтов при устройстве свай ных фундаментов. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1968, № К
Однако для мерзлых глинистых грунтов процесс протекания оса док при их оттаивании под сооружениями будет значительно слож нее. Величина осадки состоит из трех слагаемых: осадки оттаива ния su, осадки уплотнения от действия внешней нагрузки и собствен ного веса оттаивающих грунтов $2t, осадки доуплотнения (после дующей консолидации) глинистых грунтов после оттаивания s3t, при этом (как показывают соответствующие наблюдения) послед няя осадка будет нелинейно зависеть как от изменений коэффици ентов пористости, так и изменений коэффициента водопроницаемо сти грунтов, причем степень консолидации, вычисляемая на основа нии решения соответствующего дифференциального уравнения консолидации, определяется параметрами [49, гл. 6, § 6 и с. 380— •386]
|
h |
|
^"отт |
' 2 Vom |
W too |
где '? ,= ( W t7 ) h „ - |
тепловой |
коэффициент, определяемый по |
компрессионному опыту в нетеплопроводиом одометре; too — время полного наблюдения; t0тт — время оттаивания; hoc — глубина, со ответствующая полному оттаиванию.
Отметим еще раз, что возведение сооружений на вечномерзлых грунтах по принципу изменения мерзлого состояния грунтов осно вания на талое, т. е. с учетом осадок оттаивания, оправдало себя на практике лишь в случае наличия в основании мерзлых нетрещи новатых и нерассланцованных массивно-кристаллических горных пород или крупнозернистых песчаных, галечных и т. п. грунтов, но при этом обязателен прогноз осадок фундаментов на оттаиваю щих грунтах, величин осадок, их неравномерности и протекания во времени, причем расчетные величины должны быть меньше до пустимых по соответствующим нормам пределов.
Следует также заметить, что в условиях вечномерзлых грунтов весьма часто коренные массивно-кристаллические породы, особен но в долинах рек и других водотоков (древних и современных), бы вают рассланцованы и при оттаиваний могут давать совершенно недопустимые осадки, что и имело место, например, при строитель стве некоторых сооружений в районах вечной мерзлоты.
Метод предпостроечного оттаивания при использовании вечно мерзлых грунтов в оттаявшем состоянии применим в тех случаях, когда прогнозы осадок фундаментов на оттаивающих грунтах по казывают, что ожидаемые осадки при оттаивании вечномерзлых оснований будут (без принятия специальных мер) больше допусти мой величины для рассматриваемого вида сооружений даже при наличии в основании только вечномерзлых песчаных и других ске летных грунтов (которые обычно бывают распучены при первом или последующих промерзаниях). Метод предпостроечного оттаи вания наиболее применим в южных районах вечномерзлых грунтов при незначительной мощности просадочных сильнольдистых грун тов (до 7—10 м) и залегании их на малосжимаемых скальных или монолитных массивно-кристаллических породах [49, гл. XI, § 1—5].
Как показал опыт Дальстроя, при горном рельефе местности метод предпостроечного оттаивания, примененный на распученных крупноскелетных грунтах, обеспечивает устойчивость сооружений. При глинистых вечномерзлых грунтах метод предпостроечного от таивания дает приемлемые результаты лишь в том случае, если толща этих грунтов переслаивается водопроницаемыми прослойка ми, которые при соответствующем рельефе местности способны быстро отводить талую воду [49, гл. XI].
Главным преимуществом метода предпостроечного оттаивания является полное снятие осадки оттаивания (ЕЛ0/ц) и, кроме того, при оттаивании глинистых грунтов увеличивается их фильтрацион ная способность и ускоряется самоуплотнение.
ГЛАВА 6
ВОПРОСЫ КОСМОМЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД
6.1. ВВОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Выход в космос, предсказанный и в основном обоснованный ге ниальным К. Э. Циолковским (1857—1935), выход человека в не земные условия — это начало преодоления человеком земных пре делов сферой разума, или, по словам акад. В. И. Вернадского (1943), ноосферой. Началом космической эры следует считать за пуск первого в мире спутника Земли (СССР, октябрь 1957 г.) и по лет по космической околоземной орбите первого в мире космонав та Ю. А. Гагарина (СССР, апрель 1961 г.).
Космические исследования используются учеными в первую оче редь для всестороннего обследования околоземного пространства и изучения геологической истории Земли. Дату 3 февраля 1966 г., когда советская автоматическая станция «Луна-9» впервые произ вела мягкую посадку на поверхность Луны и сообщила данные для непосредственной оценки механических свойств лунных грунтов *, следует считать началом становления механики лунных грунтов **, Исследования в космосе и околоземном пространстве имеют огром ное народнохозяйственное значение, не говоря уже о познаватель ном и научном интересе, а исследования космических тел (в пер вую очередь планет солнечной системы) — и для установления гео логической истории формирования планет, а следовательно, и образования в их недрах полезных ископаемых. Так, например, космонавтами было установлено, что в ранний период существова ния Луны (до 1—3 млрд, из 4,5 млрд, лет общего возраста Луны) шло активное возникновение вулканических кратеров и образова ние соответствующих структур, что помогло геологам и на Земле открыть множество кольцевых структур, с которыми связаны мес торождения важных полезных ископаемых; на эти структуры рань ше не обращали должного внимания.
Кроме того, изучение крупных структур и Теологических объек тов протяженностью в сотни и тысячи километров, отражающих глубинное строение Земли, оказалось возможным только с разви тием космонавтики***.
*Черкасов И. И.,Шварев В. В. Грунт Луны. М., 1975.
**Акад. А. П. Виноградов. К происхождению лунных пород. — Геохимия,
1970, |
№ |
Г, Акад. А. Ю. Ишлинский. Механика |
лунного грунта. — Известия, |
1970, |
12 дек. |
и геология. — Известия, 1971, |
|
*** |
Акад. А. В. Сидоренко. Космонавтика |
||
12 июня.
В результате космических исследований за последние годы бы ло получено огромное количество научных материалов: сотни ты сяч фотоснимков, радиолокационных и других изображений по верхности планет Солнечной системы; на Землю доставлены образ цы лунных грунтов (общей массой 418 кг), произведены много численные испытания лунных грунтов в специальных лабораториях на Земле и на поверхности Луны, обследованы горные породы кос венными и прямыми методами на Марсе и Венере и пр.
Значительный экономический эффект дает использование искус ственных спутников Земли при геологических, картографических, метеорологических и других исследованиях*. Кроме того, с по мощью спутников возможны наблюдения за изменениями, проис ходящими на Земле и в ее стратосфере под влиянием деятельности людей, что весьма важно для оценки современного состояния окру жающей нас среды и выработки мер ее охраны. Так, например, проф. В. Мороз говорит (Известия, 1972, 26 июля): «...даже неболь шие изменения состава атмосферы и климата Земли весьма опас ны и поэтому весьма важно понять, как формируется состав пла нетных атмосфер», что вполне возможно в настоящее время, ис пользуя космические исследования.
Для исследования и освоения космических тел, в первую оче редь планет Солнечной системы, весьма важно знать свойства гор ных пород в неземных условиях и физико-механические процессы, в них протекающие, что и является предметом изучения в космоме ханике горных пород.
В космомеханике горных пород в ряде случаев приходится поль зоваться методами дистанционных исследований, многие из кото рых еще только разрабатываются. Однако мы считаем, что исполь зование закономерностей геомеханики (особенно ее разделов —ме ханики грунтов и скальных пород) окажется весьма полезным и при общем планетарном освоении космоса.
Механические свойства грунтов Луны и планет занимают очень скромное место в обширном комплексе изучения физических, хими ческих, минералогических свойств, определения возраста и разра ботке гипотез о происхождении. В настоящее время сделаны лишь первые шаги в этом направлении, и полученные результаты позво ляют говорить пока о зарождении нового направления науки — грунтоведения Луны и планет, которое представляет собой необхо димый этап развития перед разработкой механики внеземных грун тов в строгом понимании этого термина **.
Внастоящей главе мы стремимся внести свой посильный вклад
восвоение человеком космоса.
*Школенко Ю. Космос человека. — Вокруг света, 1972, № 4.
**Черкасов И. И.,Шварев В. В. Начала грунтоведения Луны/Под ред. акад.
А.Ю. Ишлинского. М., 1971.