Введение

Актуальность исследования морозного пучения, а также влияния процесса на инженерные сооружения обусловлена комплексом инженерно-технических, географических, экономических и социальных факторов. Эти факторы делают морозное пучение – одной из ключевых проблем при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений на территориях с суровым климатом.

В точки зрения географического фактора: огромные площади распространения многолетнемерзлых горных пород – более 60% территории РФ относится к регионам с сезонным промерзанием грунтов и распространением многолетней мерзлоты. К таким регионам относятся такие важнейшие экономические районы, как Сибирь, Дальний Восток, Европейский Север и значительная часть Урала. Помимо этого, в связи с глобальным потеплением, приводящим к деградации ММП и изменению режима сезонного промерзания, традиционные методы строительства теряют надежность. На первый план выходит прогнозирование поведения грунтов. Необходимость адаптации к меняющимся условиям требует углубленного изучения процессов пучения.

Экономический ущерб: ежегодно, деформации, вызванные морозным пучением, приносят ущерб экономике на огромные суммы. Ущерб складывается из прямых затрат на ремонт и восстановление поврежденных сооружений, косвенных потерь из-за увеличения энергозатрат на отопление деформированных зданий, и затрат на превентивные меры (например, усиление фундамента), которые могут составлять до 30% от затрат на строительство. В зонах проявления морозного пучения расположены стратегически важные объекты, например: «Сила Сибири», БАМ и Транссиб, объекты добывающей промышленности.

Таким образом, тема изучения морозного пучения является практически значимой и востребованной задачей, от результата которой зависит экономическая эффективность, техническая безопасность и устойчивость развития территорий России.

Целью курсовой работы является закрепление теоретических знаний по курсу «инженерное мерзлотоведение», а также приобретение навыка для практического применения знаний.

Задачи курсовой работы:

1. Изучить влияние морозного пучения на инженерные сооружения

2. Ознакомиться с методами изучения и оценки показателей пучинистости горных пород для решения инженерных задач

1. Морозное пучение грунтов как геологическое явление

1.1. Общие теоретические положения

Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д.

Внешним проявлением морозного пучения, характеризующим величину его линейной деформации, служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании (рисунок 1). В северных районах морфологическим признаком проявления пучения нередко служат такие формы рельефа, как площадное всхолмление, бугры и гряды пучения (рисунок 2). [1]

Рисунок 1 – схема образования бугров пучения

Рисунок 2 – бугор пучения

Согласно российской геологической школе (учебники «Инженерная геология» под ред. В.П. Ананьева, «Основы геокриологии» под ред. Э.Д. Ершова, «Мерзлотоведение» В.А. Кудрявцева), механизм пучения включает два взаимосвязанных процесса:

1. Фазовый переход вода-лед в порах: при замерзании свободной (гравитационной) воды в порах происходит увеличение ее объема на 9%. Это создает локальное давление в порах, но само по себе редко является главной причиной сильного пучения.

2. Миграционные образование льда (текстурообразующая передача влаги) – главный фактор. В мелкодисперсных грунта (глины, суглинки) при медленном промерзании формируется температурный градиент. Под действием этого градиента и давления, незамерзшая пленочная вода мигрирует из теплых слоев к фронту промерзанию (зона максимального переохлаждения). В этой зоне вода замерзает, образуя сегрегационный лед в виде линз, прослоек, прожилок. Рост этих ледяных шлиров вызывает значительное увеличение объема грунтового массива и его вспучивание. Этот процесс может приводить к подъему поверхности на десятки сантиметров.

1.2. Факторы возникновения морозного пучения

Как геологическое явление, пучение возникает при сочетании трех природных факторов:

1. Температурный фактор – наличие и длительность периода с отрицательными температурами, достаточными для промерзания грунта на определенную глубину.

2. Литологический фактор – наличие в геологическом разрезе дисперсных (пылевато-глинистых) грунтов, обладающих высокой капиллярной подъемной способностью, а также способность/ удерживать пленочную воду. К ним относятся глины, суглинки, супеси, пылеватые и мелкие пески. Крупнообломочные и чистые крупные пески не пучинятся, так как не обладают капиллярностью.

3. Гидрогеологический фактор – достаточное увлажнение грунта. Источники увлажнения:

• Атмосферные осадки

• Близкое залегание грунтовых вод

• Поверхностный сток

• Конденсация паров

1.3. Геологические и геоморфологические последствия явления

При активных геокриологических явлениях, а именно при развитом морозном пучении, формируются специфические формы рельефа и геологические структуры:

1. Криогенное рельефообразование (мерзлотно-солифлюкционный микрорельеф).

• Бугры пучения (рисунок 1) –ледяно-грунтовые холмы

• Полигонально-блочный рельеф – образование сети трещин на поверхности с последующим неравномерным пучение блоков.

• Солифлюкционные террасы и языки – медленное вязкопластичное течение переувлажненного грунта по склону в период оттаивания

2. Формирование криогенных текстур и структур

• Линзовидные криотекстуры с включениями сегрегационного льда

• Слоистость и сланцеватость, вызванная ориентировкой минеральных частиц вдоль ледяных прослоек

• Повышение дисперсности и нарушение текстурных связей в грунте после многократных циклом замерзания-оттаивания

3. Геодинамические процессы

• Морозное растрескивание грунта с образование клиновидных структур, заполненных льдом или минеральным материалом

• Криогенное выветривание – разрушение горных пород за счет расклинивающего действия льда в трещинах

• Нарушение естественного гидрологического режима местности из-за изменения микрорельефа и фильтрационных свойств грунта.

1.4. Отличие морозного пучения от других криогенных процессов

Анализ основан на классификации, принятой в Российской геокриологической школе (В.А. Кудрявцев, Э.Д. Ершов). Морозное пучение важно отличать от других геокриологических процессов (приложение А). Морозное пучение – первичный криогенный процесс аккумуляции льда внутри грунта, ведущий к увеличению объема. Он тесно связан с другими процессами, криогенный парагенезис – пучение и растрескивание создают предпосылки для солифлюкции.

2. Влияние морозного пучения на инженерные сооружения

Морозное пучение грунтов представляет значительную опасность для инженерных сооружений. Его воздействие носит деформационный характер, и последствия приводят к эксплуатационной непригодности, снижению долговечности, и в худшем случае – аварийному состоянию сооружений.

2. 1. Физические механизмы воздействия

Воздействие морозного пучения на инженерные сооружения обуславливается силами, возникающими при промерзании пучинистого грунта (рисунок 3)

Рисунок 3 – схема сил, действующих на сваю

1. Нормальные силы пучения – действуют снизу вверх на подошву фундамента, выталкивая его. Возникают из-за давления ледяных линз под фундаментом.

2. Касательные силы пучения. Действуют по боковой поверхности заглубленных конструкций. Они обусловлены смерзанием грунта с материалом фундамента и льда.

Рыхлые влажные отложения при промерзании осенью и зимой в пределах сезонноталого (СТС) и сезонномерзлого слоев (СМС) увеличивают свой объем, при весенне-летнем оттаивании объем их уменьшается, что обусловливает осадку пород в СТС и СМС. В этом случае, если в отложениях, слагающих СТС и СМС, имеются крупные твердые тела (столбы, валуны, глыбы, щебень и др.), сезонные процессы пучения и осадки сопровождаются их выпучиванием.

К примеру, годовой цикл выпучивания столба, заглубленного в грунты СТС показан на рисунке 4. В процессе сезонного промерзания происходит смерзание породы со столбом части СТС. Развитие вертикальных сил пучения, превышающих вес столба и силы бокового трения, приводят к «выталкиванию» столба из мерзлой части СТС, образованию под ним полости, заполняющейся водой или разжиженным грунтом.

1 – промерзшая часть CTC; 2 – талая часть СТС; 3 – многолетнемерзлая порода; 4 - вода или разжиженный грунт в полости: 5 — лед или сильнольдистый грунт в полости; 6 — талый заполняющий полость; 7 – граница многолетнемерзлых пород; 8 — граница промерзших пород СТС. I-V - стадии выпучивания столба в годовом цикле: VI -обрушение столба, выпученного из пород СТС в течение ряда лет

Рисунок 4 - схема выпучивания столба из сезонноталого слоя, сложенного влажными дисперсными отложениями:

При полном промерзании СТС в полости образуется лед или сильнольдистый грунт. В процессе сезонного оттаивания пород до того момента, где фронт протаивания не подойдет к подошве столба, последний сохраняет наиболее высокое положение, достигнутое при его выпучивании зимой. После оттаивания льда, заполняющего полость под столбом, происходит его частичная осадка. Однако в годовом цикле столб оказывается выпученным на некоторую высоту - . При ежегодном повторении такого процесса столб оказывается настолько выпученным, что теряет устойчивость и падает. В таком случае, когда столб заглублен в мерзлую толщу, его выпучиванию дополнительно противодействуют силы смерзания с многолетнемерзлой породой. Если эти силы и вес столба превышают силы пучения, то столб сохраняет устойчивость, не выпучивается. В противном случае происходит его «выпучивание» из мерзлой толщи. Выпучивание ведет к нарушению линий связи, а свай в основании фундаментом различных сооружений к их деформациям. Мерами борьбы с этим процессом является увеличение сил смерзания за счет большего заглубления столбов в мерзлую толщу, их заанкеривание, уменьшение сил смерзания их с грунтами в СТС и др. [2]

Главная опасность представлена неправомерностью процесса. Из-за неоднородности грунта, разницы в увлажнении, снегового покрова и нагрева солнцем, пучение под разными частям одного сооружения происходит с разной интенсивностью.

2.2. Влияние на основные типы сооружений

1. Фундаменты зданий и сооружений

Деформации носят характер крена, выгиба и просадок (СП 22.13330.2016)

Деформации проявляются:

• Трещины в несущих стенах (часто диагональные, раскрывающиеся кверху), перекрытиях и цоколе

• Перекосы дверных и оконных блоков

• Отрыв легких пристроек (крылец, веранд) от основного здания

• Локальный подъем углов или середины стен

• Разрыв инженерных коммуникаций

В зоне особого риска находятся легкие сооружения, например каркасные дома, гаражи и заборы. Касательные силы пучения могут полностью выпучить фундамент таких сооружений из земли за один зимний сезон.

2. Линейные протяженные сооружения

Автомобильные и железные дороги:

• Деформации земляного полотна – формирование продольных и поперечных волн, кочек, нарушения ровности

• Трещины асфальтобетона, раскрытие швов в цементнобетонных плитах

• Трубопроводы (подземные)

• Изгиб и растяжение – неравномерный подъем/осадка грунта создают в трубе дополнительные изгибающие моменты

• Разрыв сварочных швов или тела трубы, особенно в местах поворотом, компенсаторов и ввода в здания

• Нарушение проектных уклонов

3. Опоры ЛЭП и связи:

• Наклон и крен опор

• Гидротехнические и мелиоративные сооружения

• Деформация тела плотин и дамб (смещение откосов, разрушение гребня)

• Разрушение противофильтрационных элементов

• Разрушение креплений откосов каналов и лотков

4. Аэродромы

• Деформация покрытий взлетно-посадочных полос и дорожек

• Критические нарушения ровности

2.3. Принципы защиты сооружений

Проектирование защиты от морозного пучения в России регламентируется строгой нормативной базой, базирующейся на фундаментальных исследованиях в области мерзлотоведения и механики грунтов. Ключевым документом является СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» (актуализированный СНиП 2.02.01-83*), который прямо предписывает учет сил морозного пучения (п. 5.5.3, 6.8). Теоретической основой для понимания механизмов служат учебные пособия, такие как «Механика грунтов, основания и фундаменты» (Б.И. Далматов, 1988 г.) и «Основания и фундаменты на пучинистых грунтах» (Н.А. Пузаков, 1967 г.), где детально описана физика процесса и методы расчета.

Принцип 1. Исключение пучинистых свойств грунта в активной зоне

Принцип направлен на изменение свойств грунтовой толщи в деятельном слое.

Устройство противопучинистых подушек.

Это основной и наиболее эффективный метод [3]. Пучинистый грунт извлекается на расчетную глубину и заменяется послойно уплотняемым дренирующим материалом – песком средней или крупной крупности, гравийно-песчаной смесью, щебнем. Механизм защиты двойной [4]:

1. Крупные частицы материала не создают капиллярную сеть, что ограничивает миграцию влаги из нижних горизонтов к фронту промерзания.

2. Подушка свободно отводит воду и, обладая упругими свойствами, амортизирует возможные остаточные подвижки. ГОСТ 25100-2011 относит такие материалы к классу непучинистых. Толщина подушки назначается расчетом, но, как правило, должна быть не менее 0,5 от расчетной глубины промерзания df.

Глубокое уплотнение грунтов. 

Методы тяжелого трамбования, вибрирования, устройства грунтовых свай направлены на увеличение плотности скелета грунта (до коэффициента уплотнения >0,95) [5]. Более плотный грунт имеет меньшую пористость и общую влагоемкость, что снижает его потенциальную льдистость. Как отмечает Н.А. Пузаков, этот метод эффективен, но в основном для слабо- и среднепучинистых грунтов.

Принцип 2. Регулирование теплового и водного режима основания

В случае, если грунт изменить нельзя, можно изменить условия возникновения пучения, а именно влажность и отрицательную температуру.

Водозащитные и дренажные мероприятия [3,5]

Поверхностный водоотвод – вертикальная планировка с уклоном от сооружения, водонепроницаемые отмостки

Подземный дренаж – устройство дренажа на расстоянии не менее 3 м от глубины промерзания. Система перехватывает и отводит грунтовую воду, поддерживаю УГВ на безопасной глубине. В пособии Пузакова указано, что снижение влажности глинистого грунта на 15-20% переводит грунт из категории сильнопучинистого в слабопучинистый.

Термостабилизация

Утепленная отмостка и горизонтальные экраны. Укладка плит из материала с низким коэффициентом теплопроводности по периметру здания или по полами по грунту. Изотерма 0°C, следуя за утеплителем, искривляется и поднимается вверх, формируя под фундаментом незамерзающую зону. Это физическое явление, описанное в учебнике «Основы геокриологии» под ред. Э.Д. Ершова (часть 1, 2004 г.), позволяет сократить глубину промерзания в 2-3 раза и полностью исключить нормальные силы пучения.