Принцип 3. Конструктивные мероприятия.

Когда воздействие на грунт и его режим ограничено, актуальным становится усиление самого сооружения от восприятия остаточных деформаций и сил.

Заглубление подошвы фундамента ниже расчетной глубины промерзания (df). Классическое требование СП 22.13330 для устранения нормальных сил пучения. Однако, как предупреждает в своем учебнике Б.И. Далматов, для легких сооружений (каркасных домов, опор) это может усугубить опасность, так как возрастает площадь боковой поверхности, на которую действуют касательные силы выдергивания.

Снижение касательных сил пучения.

Обратная засыпка пазух непучинистым грунтом (СП 45.13330).

Обмазка боковых поверхностей битумными мастиками или покрытие полимерными пленками для создания скользящего слоя, что уменьшает коэффициент сцепления «грунт-конструкция».

Повышение пространственной жесткости конструкций.

Монолитные железобетонные ростверки, армопояса по обрезу фундамента и под перекрытиями. Это прямое требование СП 22.13330 для зданий без подвала на пучинистых грунтах. Жесткая рамная система способна перераспределять усилия от неравномерных деформаций основания, работая на изгиб, предотвращая раскрытие трещин в надфундаментной части.

Применение свайных фундаментов с анкеровкой в непромерзающие слои или жестких мелкозаглубленных фундаментов (плитных, ленточных), рассчитываемых как «плавающая» рама. Их проектирование ведется по специальным методикам, изложенным в соответствующих разделах норм и пособий.

3. Методы изучения и оценки показателей пучинистости горных пород для решения инженерных задач

Изучение и оценка пучинистых свойств горных пород представляет собой комплексную инженерно-геологическую задачу, регламентированную нормативными документами и методическими руководствами. Процесс включает как полевые, так и лабораторные исследования, завершающиеся расчетным прогнозом.

Нормативными документами, регламентирующими изучение пучинистых грунтов, являются:

• СП 47.13330.2016 "Инженерные изыскания для строительства" (актуализированная редакция СНиП 11-02-96) – определяет состав и объем работ.

• ГОСТ 25100-2023 "Грунты. Классификация" – содержит определение пучинистых грунтов и критерии их отнесения к разным категориям по степени пучинистости.

• ГОСТ 28672-2022 "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик пучинистости и просадочности" – основной стандарт на лабораторные испытания.

• СП 22.13330.2016 "Основания зданий и сооружений" (Приложение В) – устанавливает методы расчета характеристик пучинистости.

3.1. Программа и этапы исследований

Этапы исследований прописаны в таблице 1.

Таблица 1. Этапы исследований

Этап	Содержание работ	Цель
I. Полевые исследования	1. Инженерно-геологическая съемка: выявление признаков пучения (полигональный рельеф, бугры, трещины). 2. Проходка горных выработок (шурфы, скважины) с керновым отбором ненарушенной структуры. 3. Полевое описание грунтов по ГОСТ 25100. 4. Измерение уровня грунтовых вод (УГВ) и его сезонной динамики. 5. Определение глубины сезонного промерзания (по данным метеостанций или инструментально).	Получение репрезентативных образцов, установление геологического разреза, гидрогеологических условий и границы промерзания.
II. Лабораторные исследования	1. Определение гранулометрического состава (ГОСТ 12536). 2. Определение влажности, плотности, пористости. 3. Определение параметров консистенции для глинистых грунтов (пределы текучести и раскатывания). 4. Специальные испытания на пучинистость (по ГОСТ 28672).	Количественная оценка свойств грунта и определение ключевых расчетных характеристик.
III. Камеральная обработка и прогноз	1. Расчет степени пучинистости и относительной деформации пучения. 2. Прогноз величины подъема поверхности. 3. Разработка рекомендаций.	Оценка опасности и разработка мероприятий по защите сооружений.

3.2. Методы определения показателей пучинистости

Косвенные методы. Методы, позволяющие дать предварительную оценку на основе классификационных показателей.

Классификация по грансоставу:

• Грунты, содержащие более 30% по массе частиц размером менее 0.1 мм, считаются потенциально пучинистыми.

• Для глинистых грунтов степень пучинистости оценивается по консистенции. Грунты с показателем текучести I_L > 0.25 (т.е. от мягкопластичного до текучего состояния) при естественной влажности относятся к пучинистым.

Критерий по степени влажности (Sr): Грунт считается пучинистым, если его степень влажности S_r ≥ 0.8 при залегании УГВ выше расчетной глубины промерзания.

Прямые методы. Методы, касающиеся прямого измерения основной характеристики – относительной деформации морозного пучения.

Определение касательных и нормальных сил морозного пучения (ГОСТ Р 56726- 2015).

Определение касательных сил

Подготовленный образец грунта смораживают с образцом материала фундамента в направлении от образца фундамента при его температуре -6 + -7 °С для незасоленных грунтов и с понижением этой температуры для засоленных грунтов на величину температуры начала замерзания.

Проведение испытаний:

1. Образец грунта, смороженный с образцом материала фундамента, вставляется в испытательное устройство. Плоскость смерзания должна располагаться в зазоре между подвижной и неподвижной частями устройства, составляющем 1—2 мм.

2. К образцу плавно, не допуская ударов, прикладывают нормальную нагрузку, выдерживают не менее 5 мин и затем включают срезающую нагрузку.

3. Значение нормального давления, при котором проводят испытание, назначают в зависимости от напряженного состояния грунтового массива с учетом глубины залегания образца или определяют в программе испытаний. При отсутствии данных это давление принимают равным 0,05 МПа.

4. Прикладывается нагрузка, обеспечивающая перемещение образца фундамента относительно образца грунта с постоянной скоростью в диапазоне 10—20 мм/сут.

5. Испытания проводят при трех значениях температур, равных: минус 1 °С; минус 2 °С, минус 6 °С

6. Устойчивое сопротивление сдвигу в опыте фиксируют в момент, когда максимальное перемещение образца материала фундамента относительно образца грунта достигает не менее 10 мм.

Удельные касательные силы пучения кПа, равные устойчивому сопротивлению сдвигу грунта, вычисляют с точностью до 0,01 по формуле

(1)

Где Q – сдвигающее усилие в конце испытания, кН

А – площадь смерзания образца грунта с поверхностью модели фундамента, м²

1 – образец грунта; 2 – образец материала фундамента; 3- датчик перемещения; 4 – датчик силы; 5 -штамп; 6 – кольцо; 7 – зазор

Рисунок 5 – Принципиальная схема устройства для определения касательных сил морозного пучения

Определение нормальных сил

Образец грунта нарушенного сложения с заданными (или природными) значениями плотности и влажности приготавливают в обойме методом послойного трамбования или под прессом. Обойму с грунтом помещают в установку для испытаний. ГОСТ Р 59596-2021.

Проведение испытаний:

1. Образец грунта в обойме помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона и проводят следующие операции:

   1. проверяют положение штока механизма нагружения образца по отношению к центру образца;

   2. заполняют поддон и емкость водой или подключают систему непрерывного подтока воды к образцу и ее обогрева;

   3. - устанавливают устройство контроля температуры на высоте 2/3 от верхнего торца образца грунта;

   4. записывают начальные показания приборов.

2. Установку помещают в холодильную камеру и (или) устанавливают охлаждающий циркуляционный термостат и выдерживают при температуре (1 +/- 0,5) °C не менее суток. В дальнейшем температуру в камере или термостате понижают. Температура T на верхнем торце образца незасоленного грунта должна составлять (минус 4,0 +/- 0,2) °C, для засоленных грунтов - минус 4,0 °C + T _bf , где T _bf - температура начала замерзания исследуемого грунта, °C.

3. Определяют максимальное давление морозного пучения, для чего обойму с образцом грунта закрепляют в системе таким образом, чтобы отсутствовала возможность вертикального перемещения. В ходе испытания снимают показания приборов для измерения вертикальной деформации, нормальной нагрузки и температуры грунта на высоте 2/3 от верхнего торца образца.

4. Во время испытания следят за непрерывностью подтока воды к образцу грунта и поддержанием температуры воды в поддоне.

5. Испытание прекращают при промораживании образца грунта до глубины 2/3 от верхнего торца образца.

6. Сразу после окончания испытания образец грунта извлекают из обоймы, распиливают вдоль вертикальной оси и описывают его криогенную текстуру.

По результатам испытаний определяют максимальное значение нормальной силы морозного пучения S_n как нагрузку, при приложении которой к образцу талого грунта отсутствует вертикальная деформация при промораживании.

По результатам испытаний строят график зависимости вертикальной деформации от значения нормальной силы морозного пучения.

Рисунок 6 – График зависимости относительной деформации пучения от нормальной силы морозного пучения

1 - элементы силовой рамы; 2 - система задания нагрузки; 3 - датчик силы; 4 - система поддержания температуры верхней части образца; 5 - термокамера; 6 - гильза

из нетеплопроводного материала; 7 - грунт; 8 – температурный датчик, установленный на высоте 100 мм от верха образца; 9 - капиллярно-пористый материал; 10 - система поддержания температуры в нижней части образца; 11 - поддон с водой для подтока воды

Рисунок 7 – Принципиальная схема установки для определение нормальных сил морозного пучения

Рисунок 8 – Установка для определения нормальных и касательных сил морозного пучения

Пример обработки результатов испытания представлен в приложении Б.

В полевых условиях испытания проводятся путем установки реперов-пучиномеров на площадке изысканий до начала работ. Систематические наблюдения в течение 2-3 зимних сезонов дают наиболее достоверные данные о реальной величине и неравномерности подъема поверхности.

На основании полученной относительной деформации пучения ε_fh грунт классифицируется по таблице 2 СП 22.13330.2016

Таблица 2 – классификация пучинистости

Степень пучинистости грунта	Относительная деформация пучения εfh, д. ед.
Условно непучинистый	ε_fh ≤ 0,01
Слабопучинистый	0,01 < ε_fh ≤ 0,035
Среднепучинистый	0,035 < ε_fh ≤ 0,07
Сильнопучинистый	ε_fh > 0,07

Заключение

В ходе курсовой работы проанализировано явление морозного пучения, его воздействие на сооружения и методы оценки. Сформулированы ключевые выводы:

1. Морозное пучение — опасный геокриологический процесс, возникающий при сочетании тонкодисперсных грунтов, высокой влажности и отрицательных температур. Его основа — миграционная влагопередача и рост сегрегационного льда, приводящие к объёмному расширению грунта и формированию специфических форм рельефа.

2. Воздействие на инженерные сооружения носит деформационно-силовой характер. Главная опасность — неравномерность развития нормальных и касательных сил пучения, вызывающая крены, трещины, повреждения фундаментов, линейных и гидротехнических сооружений. Особенно уязвимы лёгкие объекты и свайные фундаменты в зоне сезонного протаивания.

3. Защита должна быть комплексной, основанной на трёх принципах: изменение свойств грунта (подушки, уплотнение), управление водно-тепловым режимом (дренаж, утепление) и конструктивное усиление сооружения (жёсткие ростверки, анкеровка). Меры регламентируются СП 22.13330, СП 25.13330 и другими нормативами.

4. Оценка пучинистости — обязательный этап изысканий, включающий полевые исследования, лабораторные испытания (по ГОСТ 28672) и прогноз деформаций. Классификация грунтов по степени пучинистости служит основой для проектных решений.

Список использованной литературы

1. https://meganorm.ru/Data1/50/50944/index.htm

2. Цытович механика грунтов

3. СП 22.13330.2016 (п. 6.8.11, 8.12.7).