автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Фундаментные плиты из мерзлого грунта на вечномерзлых основаниях с ослабленными зонами

РГО од

ГОССТРОЙ РФ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОШЮ-ИЗЫСКАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРШОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ имени Н.М.ГЕРСЕВАНОВА '

На правах рукописи

АНИШИН Александр Анатольевич

ЙУВДАМЕНТШЕ ПЛИТЫ ИЗ МЕРЗЛОГО ГРУНТА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ОСНОВАНИЯХ С ОСЛАВЛЕННЫМИ ЗОНАМИ

05.23.02 - Основания и фундаменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работ» выполнен* в Ордена Трудового Красного' Знамени Научно-исследовательском, проектно-иэыскательском и конструкторско--технологичаском институте оснований и подземных сооружений тени Н.М.Герсеванова

Научный руководитель - кандидат технических наук

КУТВИЦКАЯ Наталья Борисовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ВДЛОВ Сергей Степанович

кандидат технических наук ГЕРАСИМОВ Аркадий Семенович

Ведущее предприятие - ШИ Фундаментпроект

Защита состоится » 1993 г. в Ю часов

на заседании специализированного совета К 033.06.01 в Научно-исследовательском, проектно-гизыскательском и конструкторско--технологическом институте оснований и подземных сооружений ' имени Н.Ы.Герсеванова по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская ул.б (проезд до ст. метро "Рязанский проспект", далее автобусами * 29,143,169 и троллейбусом № 63 до остановки "Институт . бетона").

С диссертацией можно ознакомиться в совете института.

Автореферат разослан " 1993 Р,

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук

В.П.Петрухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Ацтуадыюсть теуы. При освоении северных территорий в вечно-ерзлых грунтах часто встречаются локальные слабые зоны, представ-:0нные таликами, линэями и пластами подземных льдов, криопэгнми. [рочностные и деформационные характеристики грунтов, образующих лабые зоны, резко отличаются в худшую сторону от соответствующих арактеристик окружающих вечномерзлнх грунтов. Наибольшие затруд-1бния при строительстве на подобных ослабленных основаниях возни-йог, если слабая зона является таликом или криопегом с действующи фильтрационным потоком подземных вод. Для.таких условий традиционные технические решения оснований - оттаияание и уплотнение •рунтов слабой зоны, использование сваи-стойкя, прорезающей сла-1ый грунт, замена грунта слабого на привозной с более высокими [рочностными и деформационными характеристиками, промораживание 1сей области талого грунта - в большинство случаев являются доро-'остоящими и технически трудно выполнимыми, при этом могут нару-шть тепловой и водный режим на осваиваемой территории, что, как гравило, приводит к образованию наледей, бугров пучения, заболачиванию.

Одним из новых подходов к фундаментостроению на подобных ос-юваниях является использование в качестве несущей конструкции caloro твердомерзлого грунта, путем создания из него плиты (свода), [ерекрыващей ослабленную область, и способной воспринять нагрузки от здания или сооружения. Необходимая прочность такой плиты южет быть достигнута путем целенаправленного искусственного ох-[аадения или армирования отдельных объемов грунта. Предложенный :пособ позволяет возводить фундаменты в сложных мерзлотно-грунто-)ых условиях. при сохранении естественных путей движения подзем-iux вод, не нарушая экологического равновесия на площадке строи-

тольства.

Актуальность диссертационной работы обусловлена перспективой использования ее результатов для освоения обширных террито-/

рий северных районов нашей страны, таких как, севера Тюменской области, Читинской области, Ямала, Забайкалья, Чукотки, Якутска а др., где повсеместно встречаются неблагоприятные мерзлотно-грунтовие условия, упомянутые выше.

Использовать мерзлый грунт для создания несущих фундаментных конструкций преддожено сравнительно недавно, и комплексных исследований по данной проблеме це проводилось. В связи с этим возникла необходимость всестороннего изучения реальности, надежности и эффективности применения плитных конструкций иа мерзлого грунта, а также разработки и проверки методов их расчета.

Иедью диссертационной работы является оценка напрякенно-де-форыированиого состояния мерзлой фундаментной грунтовой плиты над ослабленными зонами основания и выяснение возможности ее применения в качестве несущего фундаментного элемента.

Для достижения атой цеди автором рассмотрены следующие задачи, решения которых выносятся на защиту:

- теоретические исследования (численные расчеты) напряженно-деформированного состояния фундаментной шштной конструкции из мерзлого грунта;«

- экспериментальные исследования на грунтовых моделях распределения вертикальных напряжений и перемещений в основании, а также горизонтальных деформаций мерзлого грунта плиты при приложении нагрузки к.ее поверхности;

- разработка технических решений мерзлой шштной фундаментной конструкции н отдельных конструктивных узлов;

- выбор способов упрочнения мерзлого грунта плиты в областях концентрации напряжений;

- разработка аналитической методики расчета плитной конструкции, жестко защемленной с двух сторон, при действии на нее как равномерно распределенной, так и сосредоточенных нагрузок;

- технико-экономическое обоснование применения таких конструкций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложено использовать природный вечномерзлый или упрочненный (промораживанием или армированием) мерзлый грунт над ослабленными зонами в качестве плитной фундаментной конструкции;

- выполнены теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния оснований с несущими фундаментными плитными конструкциями, показавшие, что слой мерзлого грунта, перекрывающий слабую зону и воспринимающий нагрузку, можно- рассматривать и рассчитывать как несущий конструктивный элемент ;

- предложен и подтвержден экспериментально способ упрочнения зон концентрации растягивающих напряжений в плите путем армирования мерзлого грунта, образующего плиту;

- разработаны технические решения и способы устройства оснований при различных параметрах и расположении ослабленных зон на строительных площадках;

- разработана инженерная методика расчета плитных конструкций из мерзлого грунта, перекрывающих ослабленную зону вечномер-злого основания.

На защиту рыдасятсдг

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния плитных фундаментных конструкций из мерзлого грунта, изгибающихся под действием поверх-юсгной нагрузки;

- технические решения рассматриваемых конструкций;

- методика расчеты плитных конструкций, адетко защемленных по двум стогнам при действии на них равномирно-распредоленной и сосредоточенных нагрузок;

- способ подготоики датчиков сопротивления и мест измерения при тензометрировании миралого 1рунта;

- экономическая целесообразность использования плитных конструкций из мерзлого грунта для укреплении ослабленных вечиомер-8ЛЫХ оснований.

Практическая ценность работы заключается и следующий:

- предложена методика инженерного расчета, которая позволяет провести сопоставление вариантов и выбрать оптимальные параметры грунтовой фундаментной конструкции (толщину плиты, механические характеристики мерзлого грунта), обеспечивающие требуемую несущую способность основиния;

- разработаны технические решения и способы устройства несущей плитной конструкции ив мерзлого грунта;

- разработан способ тенаоыетрирования мерзлого грунта с помощью датчиков сопротивления;

- доказана эффективность применения конструкций из упрочненного мерзлого грунта для укрепления ослабленных вечномерэлых оснований.

Афм^ЧИ работы. Результаты исследований докладывались на 3-ем научно-методическом семинаре и1к-92 во Всероссийском 1осу-дарственном Научно-исследовательском институте гидротехники имени Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1992).

ПУБЛИКАЦИИ« По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, в том числе два изобретения.

Объем работц. -Двссартянкя состоит из введения, шести глав, выводов и приложение. Список литературы состоит из 116 наименований. Общий объем работы составляет 193 страницы, в том числе

ЮО страниц машинописного текста, 64 рисунка, 18 таблиц, 11 стра-1иц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность исследований, определена цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, 1 также' научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. 3 ней да- . 1а инженерная типизация видов слоисто-неоднородных оснований и этмечены основные особенности каждого типа применительно к использованию их в качестве оснований зданий или сооружений, приведен эбзор. существующих способов строительства на подобных основаниях & в сравнении с ними рассматриваются преимущества и недостатки зредлагаемого решения, а также известные способы управления температурным режимом грунтов основания.

Изучение неоднородности мерзлоты с наличием локально-ослаб-генных зон, как самостоятельного вопроса, имеет свою длительную юториго, подробный очерк которой приводится в работах И.А.Некрасова, С.Е.Суходольского, В.А.Кудрявцева. Но вопрос пригодности $ечномерзлых оснований, включающих локально-ослабленные зоны, для строительства на них зданий и сооружений в существующих исследо-}аниях неосвещен.

Для характеристики встречающихся на практике видов слоисто-

■неоднородных оснований, с точки зрения строительства и работы на

[их фундаментов, в работе частично использована инженерная типиза-

ия, предложенная Н.Б.Кутвицкой. Пользуясь рассмотренной таблицей,

¡лоисто-неоднородные основания можно отнести к одному из пяти ти-

(

юв.

Наибольшие затруднения при строительстве на подобных основа-

ниях возникают, если слабый слой является таликом или крибпегом с действующим фильтрационным потоком грунтовых вод, особенно если подземные воды являются засоленными. В атом случае происходит постоянный процесс размывания (деградации) мерзлых грунтов, ачи-яющий на изменение границы слоя во времени и способный вызвать развитие слабой зоны в мерзлой толще. При образовании слабого сдоя грунтами, сильнодефорыируемыми под нагрузкой (пластичномерз-лые, ааторфованные и т.д.), возможна консолидация водонасыщенных грунтов, выражаемая в их уплотнении при отжатии воды из пор, и ее перемещении в прилегающие области. Подземный лед, образующий одну шш несколько прослоек, ослабляющих основание, диктует необходимость применения первого принципа строительства и проведения мероприятий способствующих сохранению льда в мерзлом состоянии в процессе строительства и эксплуатации. Все из предложенных типов слоисто-неоднородных оснований имеют свои характерные особенности Поэтому при разработке технического решения оснований и выборе фундаментов необходим дифференцированный подход для каждого конкретного случая.

В настоящее время при строительстве на вечноыерзлых грунтах, включающих локально-ослабленные зоны, как правило, применяют один И8 четырех путей: предпостроечное оттаивание и уплотнение грунтов слабой зоны;, использование свай-стоек, прорезающих слабый грунт и передающих нагрузку на нижние более прочные слои основания; замена грунта в слабой зоне на грунт с более высокими прочностными и деформативными характеристиками; закрепление всей области талого грунта промораживанием. Наряду с хорошо известными положительными сторонами применения данных способов, у них есть и существенные недостатки, а именно: высокая материало- и трудоемкость и, самое главное, вмешательство в установившийся режим природного состояния темпоратурно-неустойчивых грунтов. Любое изменение «/.ерзлотно-

-Грунтовых условий ослабленного вечномерэлого основания может зарушить экологическое равнойесие грунтов не только под сооруже-шзм,- но и на прилегающей территории, с дальнейшими труднопрог-юзируемыни последствиями, такими как образование наледей, бугров пучения и других нежелательных мерзлотных процессов. Таким збразом, опыт строительства по всем северным регионам показыва-зт необходимость нового подхода к фундаментостроению на слоис-го-неоднородных основаниях, который позволяет использовать высокую несущую способность грунтов в мерзлом состоянии и, однов-эеменно, оставляет слабую зону в естественном состоянии.

Одним из новых подходов к фундаментостроению на неоднороднее ослабленных основаниях именно и является устройство над ос-[абленной зоной плиты (свода) из мерзлого грунта, которая восп-лшет нагрузки от надземных конструкций и передаст их на вечно-юрзлые грунты, окружающие слабую зону. Поскольку упрочненные фомораживанием массивы грунта участвуют в передаче нагрузки от ¡Дания на основание, то их можно назвать составными элементами фундаментной конструкции.

При обзоре методов усиления обычных немерзлых грунтов мок^-:о найти подобные примеры создания пространственных конструкций | грунте, путем закрепления его отдельных объемов различными вязуюидами материалами. К ним относится создание в основании чеистой конструкции из цементного раствора путем использования труйной технологии, или создание на просадочикх грунтах прост-анственной конструкции из несущих столбчатых массивов под ко-онш и армирующих основание ленточных массивов из силикатизи-ованного грунта. Но мерзлый льдистый грунт, в отличие от тало-о, способен воспринимать не только сжимающие, но и растягивающие апряжения, что позволяет ему работать как изгибаемая конструк-ия без добавки связующих материалов, а его прочностные и дефор-

- а -

ыационные качества могут регулироваться с помощью изменения температуры и льдистооти.

Вечномерзлый грунт в природном состоянии не во всех случаях может быть использован в качестве несущего без специальной инженерной подготовки, которая по степени сложности и эффективности подразделяется на:

- поверхностное охлаждение путем очистки снега в зимнее время с последующей теплоизоляцией на теплое время года;

- предпостроечное промораживание путем продувки холодным наружным воздухом скважин, пробуренных до заданной глубины.

Поддерживать функциональную работу плиты во время эксплуатации возможно следующими способами:

- поверхностным охлаждением с помощью устройства под зданием шш сооружением вентилируемого подполья или системы вентилируемых каналов, или путем применения вентилируемых плитных ленточных и столбчатых фундаментов;

~ глубинным охлаждением отдельных зон или всей толщины не сущего слоя мерзлого грунта сезоннодейсгвующими охлаждающими устройствами (СОУ). Возможно комбинирование указанных выше спо собов между собой (например, вентилируемый фундамент - СОУ).

Во второй mflBQ приведены схемы возможных технических реш ний фундаментных плитных конструкций из мерзлого грунта, перек рыгающих слабые зоны основания, а также рассмотрены способы уп рочнения областей концентрации напряжений в изгибаемой плитной грунтовой конструкции и мероприятия, снижающие воздействие талых грунтов слабой зоны на мерзлые грунты несущей плиты.

Рассмотрим схемы технических решений плитных мерзлых коне рукций, представленные в таблице 1. Для создания мерзлой плиты в качестве конструкционного материала возможно использование природного грунта, слагающего основание и привозного грунта с

Таблица 1

Схемы технических решений и способы создания плитных ундвментных конструкция и-з мерзлого грунта, перекрывающих 'слабленные области вечномерзлого основания

* пп Схемы технических решений Способы создания фундаментных плит

1 -Г-Нг-т Использование природного грунта с соответ-стнующим, регулированием его температуры

А' '

' 2 т ' г Полная замена природного грунта на грунт привозной

3 1-»-г » * т г • ' , Частичная замена природа ого грунта на грунт привозной

4 т-V-г Создание плиты в теле насыпи

Яч*т./А'г-ЭРЕух. т?- . •

заранее известными в удовлетворяющими результатам расчета характеристиками. Создать плиту можно следующими путями:

- использованием природного грунта в естественном состоянии (схема 1);

- промораживанием поверхностных слоев ослабленного основа-

шя (схема 1);

- заменой слабого грунта частично (схема 3) или по всему объему плиты (схема 2) на грунт привозной.- более надежный с его дальнейшим промораживанием; '

- устройством по поверхности ослабленного основания насыш достаточной толщины для создания в ней мерзлой плиты, в том чт ле с послойным армированием (схема 4).

Как можно заметить из представленных схем, меаду подошвой фундамента и верхней поверхностью плиты предусмотрено устройство прослойки несущего насыпного грунта, что позволяет более рав номерно перераспределить нагрузку от подошв фундаментов по по-, верхности плиты, уменьшить и зафиксировать в подсыпке глубину слоя сезонного промерзания-оттаивания, а также обеспечить удобные условия для размещения в подсыпке различного рода охлаждающих устройств.

Возведение тела плиты иг улучшенного местного или привозного грунта производится путем отсыпки его о послойным уплотнением на мерзлую поверхность природных грунтов основания. 1рунты .искусственно создаваемой части плиты должны иметь влажность, необходимую для восприятия после их промораживания растягивающих .напряжений. Грунтовая конструкция может быть нагружена внешней нагрузкой только после ее промораживания до расчетных значений температур..

При изгибе Ш1ИТН0Й конструкции в ней образуются аоны концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. Известно, что мерзлый грунт хорошо работает на сжатие и в несколько раз хуже на растяжение. Несмотря на то, что ыералые грунты обладают длительной прочностью на растяжение (Н.А.Цытович, 1973), с целью повышения'надежности эксплуатации укрепленного основания во времени,данные области концентрации напряжений, особенно

ютягивающих, голательно упрочнить, что можно достигнуть доильным охлажденном мерзлого грунта плиты, его армированием шш >зданиом сечения плиты определенной формы.

В районах распространения вечномерзлых грунтов применение мировалных оснований только начинается и опыт строительства >актически отсутствует. Имеются некоторые данные применения слирических нетканннх материалов для укрепления тела л откосов иомобильных дорог в районе газоконденсатных месторождений в Н.Уренгой. Однако, в данном случае, армирование применялось я укрепления талых грунтов чаши .протаивашш; образовавшейся д дорогой. Институтом фундаментпроект предложено укреплять ар- . рованием вечномерзлые основания исиользуеше по принципу! с ёдпостроечным оттаиванием. В нашем случае, впервые предлагает-использовать мерзлый грунт как конструкционный материал и именение армирования позволит распределить, возникающие при гибе плиты отрицательные горизонтальные напряжения с критйчес-х сечений не только по длине арматуры, но и за счет сцепления стиц грунта льдом - по значительному объему мерзлого грунта круг армированной области.

Плиты из мерзлого грунта могут быть как с ровной нижней по-рхностью, так и с ребристой. Устройство в плите продольных или теречных ребер жесткости из упрочненного мерзлого грунта по-аает ее жесткость и позволяет снизить толщину.

Плитная конструкция, образуя над слабой зоной несущий свод, >ей нижней поверхностью непосредствен!!' > соприкасается со сла-[ грунтом. При образовании слабой зоны основания высокотемпе-•урньпли или засоленными грунтами, .особенно при наличии дейст->щего фильтрационного потока грунтозых вод, необходимо провё-ие мероприятий, позволяющих изолировать мерзлые грунты плиты теплового, химического и механического влияния грунтовых вод

слабой зоны, так как контакт талых и мерзлых грунтов обусловливает их постоянное взаимодействие и взаимовлияние друг на друга. К таким мероприятиям относится полная или частичная изоляция грунта плиты путем устройства изоляционной прослойки по нш ней поверхности конструкции. В качестве изоляционного материал* можно использовать комовую глину о последующим уплотнением,- sai линизированный грунт, шлак, керамзит. Предукладочное смешиванис глинистого раствора и теплоизоляционных материалов позволит помимо устройства искусственного водоупора, уменьшить теплопередг чу из талых грунтов в мерзлые.

ft третьей главе приводится аналитическая методика расчета прогибов мерзлой плиты от действия как равномерно распределение нагрузки, так и сосредоточенных сил, приложенных .к поверхности □литы. Проведен сравнительный анализ результатов расчета прогибов по предложенной методике с результатами численного расчета, а также с результатами расчета по известной методике И.А.Симву-лиди. Даны примеры расчета.

Ери проектировании плитной конструкции из мерзлого грунта возникает вопрос об определении осадки основания под нагрузкой, В нашем случае основание рассматривается не как одно-многослойный сплошной деформируемый массив, а как изгибаемая плитная конструкция, при расчете осадки которой необходимо учитывать прогиб плиты.

Рассмотрим случай устройства плитной несущей конструкции из упрочненного промораживанием природного или насыпного грунта, перекрывающей ослабленную зону основания. Размер талика и плиты в продольном направлении предполагается достаточно большим, поэтому условия рассматриваемой задачи отвечают условиям плоской деформации. В простейшем случае, данное основание можн< представить как плиту на упругом основании, жестко защемленную

по краям. Иными словами,принимаем условие полного смерзания Грунта плиты с окружающим вечномерзлым грунтом. Так как в нашем случао сяатио слабого грунта локально ограниченной зоны происходит в условиях компрессии, то для расчета применяем гипотезу коэффициента постели (Винклера). Применение существующих методов для решения нашей задачи осложняется составлением громоздких систем уравнений и связано со значительными математическими трудностями. Цель разработки настоящей методики состоит в том, чтобы применяя известные уравнения, упростить состав вычислительных операций путем приведения систем линейных алгебраических уравнений к табличной форме.

Если плита нагружена равномерно распределенной нагрузкой, то для основания Винклерова типа поведение данного основания описывается следующим дифференциальным уравнением:

О-^'-к-Г*' СО '

- с е ¿ь

где 2)«« ~ ЦИЛИНДР11400110® жесткость плиты;

£ - модуль деформации и коэффициент Пуассона мерзлого грунта; К - коэффициент податливости слабой зоны основания; /т - толщина мерзлой плиты;

у - интенсивность внешней нагрузки от здания или сооружения; X - горизонтальная координата, отсчитываемая от места заделки шшты; у - вертикальная координата.

Граничные условия задачи выражаются следующими соотношекв-

(2)

где Ь - поперечный размер шшты.

Решение уравнения (1) с граничными'условиями (2) легко тредставляется в аналитической форме, поскольку это уравнение

линейное. Опуская несложные выкладки, приведен лишь окончательное решение уравнения (1) в форме, удобной доя практического использования:

уМ = рУуо, (з)

где уМ— абсолютное значение прогиба плиты;

7 - безразмерная горизонтальная координата; 0

- осадка основания в том случае, если жесткость плиты ничтожно мала и нагрузка передается непосредственно на слабый грунт. Безразмерная величина у(7) определяется по таблицам, приведенным в диссертации, в зависимости от безразмерной координаты 5с и безразмерного параметра а), который вычисляется по формуле:

_'\a~yl* (4)

где

Коэффициент податливости слабой зоны К, входящий в основные расчетные формулы может быть определен по формуле, вытекающей из представление, что слабый грунт работает в условиях'

компрессии: <-/,., \

. п- , ч

' (6)

где £0,/. - модуль деформации и коэффициент Пуассона слабого грунта; Н - его мощность. Рассмотрим случай действия на поверхности плиты сосредоточенной силы. Запишем дифференциальное уравнение изгиба оси плиты: /4

. а-ЙМ-г0- («)

Граничные условия:

1/1 (О)-О

у1(о)-о Же)* о

цМ-уМ) </; (7)

гдо - расстояние от левой опоры до точки приложения сос-

редоточенной силы Р.

Конечная формула для нахождения абсолютного значения:

(8)

где Р - величина сосредоточенной силы.

Относительное значение прогибов находится по таблицам представленным в работе, также в зависимости от х и ото».

Табличные значения величины вычислены дня пяти вариантов действия на поверхность плиты сосредоточенной сады, а именно, когда нагрузка приложена на расстояниях от левой опоры равных 0,11; 0,2¿} 0,з/; 0,4^; 0,5^. Если сосредоточенная сила приложена в промежутке между указанными значениями расстояний, то величина у(Ш) находится путем интерполяции между таблицами. В случае приложения нескольких сосредоточенных сил, прогибы плиты находятся от каждой силы отдельно, а потом суммируются.

Приведенная аналитическая методика является приближенной, так как она основана на линейной теории изгиба пластин и может применяться при достаточно малых толщинах / слоя промороженного грунта. Более точное решение задачи получено численно, ме-' тодом конечных элементов, изложенным в четвертой главе. Сравнительный анализ результатов расчета по предложенным формулам с результатами численного расчета для 10 раалнчных примеров показал, что в интервале 3-й и)< 6 расхождение не превышает 30*.

г '

Расчет по полученным формулам в больней степени соответствует результатам численного расчета, чем по методике И.А.Симпулидл.

В четвертой- главе приводятся результаты численных исследований. напрякекно-деформированного состояния плитных конструкции.

Расчетная область включала в себя упрочненную мерзлую плиту с переменными: шириной пролета (от 12 до 24 м) и толщиной (от 2 до 9 м), а также зону слабого грунта глубиной 20 м.

Для проведения численных исследований использованы конечно-элементные программы НИИОСП, а именно ППП "РАДУГА". Расчеты выполнялись на ЭВМ ЕС-1061. При этом рассматривалось плоскодо-формированное состояние при линейных соотношениях теории упругости. Величина равномерно распределенной статической нагрузки, приложенной к поверхности шшты, во всех вариантах расчета принята равной 0,1М1а. Все численные'исследования проведаны для десяти сочетаний геометрических параметров плиты, выбранных с учетом возможности их реального создания, а также исходя из наиболее часто встречающихся модульных размеров зданий. Конкретные значения рассмотренных вариантов указаны в таблице 2.

Таблица 2

Геометрические параметры плит из мерзлого грунта,

рассмотренные в численных исследованиях

Длина пролета плиты, м. 24 18 12

Толщина плиты, м. 2 4 6 9 2 4 6 8 2 3,5

Характеристики мерзлого грунта, образующего плиту, приняты по результатам обобщения известных данных, как дня твердо-мерзлого песка. Они равны Е=80 МПа,у =0,13. Для талого грунта слабой зоны основания принято Е0=6 МПа,_/И =0,45. В результате численных, расчетов получены значения перемещений и напряжений во всех точках расчетной области, в том числе и в графической форме. Анализ и обобщение результатов позволили установить:

- влияние геометрических параметров мерзлой шшты на ее напряженно-деформированное состояние;

- влияние изменения деформативных характеристик грунтов плиты и слабой зоны на напряженно-деформированное состояние основания ;

- зоны максимальных концентраций напряжений;

- приближенные оптимальные геометрические параметры мерзлой плиты.

Установлено, что создание жесткого опорного узла опирания плиты позволяет уменьшить ее вертикальные перемещения в 2-3 раза, но одновременно в этом узле возникают значительные растягивающие напряжения. Причем, от равномерно распределенной по поверхности плиты нагрузки растягивающие горизонтальные напряжения в опорном узле превышают по величине соответствующие напряжения в центре пролета плиты в 4-5 раз. Зоны растяжения возникают: при приложении к плите равномерно распределенной нагя-рузки по нижнему поясу плиты в середине пролета и по верхнему поясу по границе опирания плиты; при сосредоточенной нагрузке, зоны растяжения по нижнему поясу плиты возникают не в середине пролета, а под местом приложения нагрузки. На протяженность растянутых зон мерзлого грунта плиты по ее вертикальному сечению влияют характер и величина нагружения, деформатив-ные характеристики грунтов плиты и слабой зоны основания, геометрические параметры конструкции. Для определения зон концентрации растягивающих горизонтальных напряжений с целью их дальнейшего упрочнения, в каждом конкретном случае необходим свой численный расчет.

Лия каждой длины пролета мерзлой плиты существует своя минимальная толщина, начиная с которой она начинает эффективно сопротивляться внешней нагрузке. При предварительном назначении толщины плиты можно воспользоваться величиной соотношения габаритных размеров %»5.

В пятой глава представлены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния плитных конструкций. При этом в экспериментах исследовались конструкции с различной толщиной несущей плиты. Одновременно, рассмотрена возможность тензометрирования мерзлых грунтов датчиками сопротивления. Проведено сопоставление напряженно-деформированного состояния плиты, созданной только из мерзлого грунта, и плиты упрочненной армированием в местах возникновения растягивающих напряжений, позволившее оценить данный способ упрочнения.

Экспериментальные исследования проводились в холодильной камере НИИОСП на грунтовых моделях, созданных в лотке с размерами в плане 0,5x0,6м и высотой 0, Ем (см.рйс.1). Размеры грун*-товых моделей были выбраны на основании результатов численных расчетов, что позволило сократить объем трудоемких лабораторных исследований и наиболее полно подтвердить опытным путем результаты теоретических исследований. Одна из торцевых стенок лотка была сделана стеклянной с целью предоставления возможности визуального наблюдения и фотографирования наиболее показательных моментов деформирования. Нагрузка на поверхность гишты передавалась с помощью рычажного пресса через полосовой штамп, расположенный по центральной продольной оси лотка. Вертикальные перемещения штампа измерялись с помощью индикаторов часового типа, с ценой деления 0,01мм, закрепленных над ним на изогнутых алюминевых пластинах. Для измерения сжимающих напряжений использованы месдозы типа ДДМ-70/11, а для измерения растягивающих напряжений, возникающих в мерзлом грунте плиты, применены тензорегисгоры с базой 20ш.

В качестве грунта основания использован сильнольдистый среднгзсрнистый песок. Для моделирования слабой зоны использовало}; тот.же песок, что и дяя создания плиты, но имеющий сте-

в лотке (размеры в мм)

1 - мерзлый грунт; 2 - талый грунт; 3 - штамп; 4 - тензоре зисторн; Ь - месдозы

Рис.2. Нормирование напряженных зон в мерзлой [шгге 1рунго!ю:( модели при возрастании нагрузки. 1 зоны растяжения; 2 - зоны сжатия; ----Р<=и,0ЬШа;---Р-0,Ж!а; - Р=0,2Ш1а

пень засоленности обеспечивающую сохранение песка в талом состоянии при температуре испытаний С »=-2 град.С. Механические и физические характеристики грунтов слагающих основание, определены комплексом лабораторных опытов при температуре проведения вкспериментов. Всего испытано две грунтовые модели с различной толщиной плиты и одна с армированием предельных зон.

Полученные результаты подтвердили выводы, сделанные при численных исследованиях. Установлено, что армирование зон действия растягивающих напряжений в мерзлой плите позволяет увеличить ее несущую способность примерно в 4 раза и уменьшить максимальные прогибы шшты в 3-4 раза. Наибольшую жесткость плитной конструкции, по сравнению с армированием растянутых зон, обеспечило увеличение толщины плиты с ¿/^ =6, до =4,5.

При проведении эксперимента возникла задача измерить возникающие в плите при ее изгибе сжимающие и растягивающие деформации мерзлого грунта. С помощью проведенных теоретических и экспериментальных исследований рассмотрена возможность тензомет-рирования мерзлых грунтов датчиками сопротивления. Решены проблемы связанные с обеспечением гидроизоляции датчиков, устройством сцепления поверхности датчиков с грунтом, а также с обеспечением прямолинейности тензорешетки в плоскости измерения. Применение датчиков сопротивления дало возможность установить величины и границы возникающих в мерзлой плите при ее изгибе об- ' ластей сжимающих и растягивающих деформаций, а также проследить изменение деформаций мерзлого грунта во времени (см.рис.2).

На рисунке 3 показана зависимость осадки штампа от приложенной к нему нагрузки. По этой зависимости видно, что на начальных этапах нагружения во всех случаях наблюдается практически прямая зависимость осадки от нагрузки, что говорит о возможности расчета данных конструкций в этих областях в линейной

.- 21 -

о о.оь 0,1 и.15 и.а Р.Ма

2

1Д

в,им

Рис.3. Зависимость осадки штампа'от нагрузки.

1 - толщина неармированной плиты /т=6 см,

2 - толщина.неармированной плиты Ь=8 см,

3 - толщина армированной плиты - Л =6- см.

постановке.

Испытания на грунтовых моделях также показали, что как только в критических сечениях плиты растягивающие напряжения превышают по величине прочность мерзлого грунта на растяжение и начинается процесс образования микротрещин, так с этого момента теоретические значения, получаемые с помощью численного расчета, становятся заниженными и неверно отражают напряженно-деформируемое состояние рассчитываемого основания. Но при этих условиях и грунтовая конструкция использована быть не может. Для определения предельно-допустимой нагрузки необходимо, чтобы определенная расчетом (аналитическим или численным) прочность мерзлого грунта, образующего плиту, на растяжение была больше расчетных значений растягивающих напряжений по всему объему несущей грунтовой плиты.

В шестой главе приведены примеры создания плитных мерзши

конструкций при проектировании и строительстве реальных объектов. В настоящее время данный способ устройства основания применен при строительстве и проектировании двух объектов. В первом случае, мерзлый грунтовый свод устроен над криопегом при устройстве основания под главный корпус ДСК в г. Якутске. Этот свод, через плитный фундамент воспринимает нагрузку от 36-метровой башни бетоносмесительного узла. После 6 лет аксплуатации основания, вследствие работы вентилируемого подполья и системы СОУ, произошло понижение температуры грунтов основания и частичное промораживание криопега в его верхней части. Осадок основания практически не наблюдалось.-Для сравнения реальных значений осадок мерзлой шиты с теоретическими в работе выполнены численные расчеты данного основания при различных толщинах несущего свода. Расчеты сделаны в упругой постановке с использованием конечно-элементной программы ЕЫ^Тгаш "РАДУГА". Результаты расчетов подтверждают высокую несущую способность основания, укрепленного данным способом и возможность расчета подобных конструкций по данной программе. Рассмотренный пример доказывает возможность создания и длительной эксплуатации фундаментных плитных конструкций из мерзлого грунта.

Во втором случае для устройства основания под здание общежития строящегося в 125 квартале г. Якутска, устройство плитной конструкции, над засыпанным старичным руслом, признано единственно возможным вариантом и принято в качестве основного.

В этой же главе представлены разработанные проектные решения плитных конструкций для различных видов здания и также при различных параметрах и расположении слабых зон под площадью объ екта.

В заключении шестой главы сделана оценка технико-экономической эффективности применения плитных конструкций из мерзлого

грунта. Для конкретного объекта (общежития в г.Якутске) она по-шзала сокращение чисто строительных затрат на 48$ от стоимости решения основания с заменой грунта слабой зоны. Кроме того, •ехнико-экономическая эффективность включает стоимость "бросо->ых" территорий, на которых появляется возможность построить >бъекты, а также затраты на устранение ущерба от нарушения эко-югического равновесия грунтов на застраиваемых территориях. •

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен эффективный способ устройства оснований зда-1ий и сооружений на вечномерзлых грунтах, включающих ослабление зоны (талики, криопеги, подземные льды). Он заключается в ^пользовании упрочненного мерзлого грунта над ослабленными зо-[ами в качестве несущей фундаментной плиты. Упрочнение мерзлого ■рунта достигается ёго охлаждением, а при необходимости и арми-юванием (геотекстилем, полимерными сетками и др.) .

2. Для различных вариантов мерзлотно-грунтовых условий раз-аботаны технические решения плитных фундаментных конструкций [ерзлого грунта, которые обеспечивают необходимую несущую спо-юбность и надежность основания. . . .

3. Предложенный способ устройства и разработанные техничес-;ие решения оснований обеспечивают сохранение природного темие-атурного и гидрогеологического режима, что позволяет предоть-атить возникновение и развитие отрицательных мерзлотных процос-ов и явлений, таких как образование наледей, термокарста, буг-|0в пучения, и тем самым обеспечивает окологическую безопасность а застраиваемой территории.

4. Экспериментальными исследованиями, проведенными на груп-овых моделях, и численными расчетами изучено нппряженно-де-Ьтр-ированное состояние оснований, включающих несущие грунтоым литнне элементы над ослабленными зонами. Результаты г.,"-.'уг-го1>

показали, что плиты из упрочненного мерзлого грунта воспринимают нагрузку от сооружения работая на изгиб как конструктивные элементы фундаментов с образованием зон растягивающих и сжимающих горизонтальных напряжений. От равномерно распределенной нагрузки зоны растяжения возникают по нижнему поясу плиты в середине ее пролета и по верхнему поясу на границах опираяия. Тем самым учитывается способность мерзлых грунтов сопротивляться растягивающим усилиям.

5. При устройстве плиты из насыпного промороженного грун1 ее несущая способность может быть увеличина армированием зон действия растягивающих напряжений, как это показано экспериме! тами, до 4 раз, а прогибы уменьшены в 3-4 раза.

6. Разработан и проверен способ тензометрирования мерзло го грунта с помощью датчиков сопротивления, который является достаточно простым в исполнении и надежным в эксплуатации.

7. Для аналитического расчета грунтовых фундаментных пли разработана инженерная методика, использование которой дает в> можность провести сопоставление вариантов и выбрать оптимальн: параметры грунтовой конструкции - толщину и дайну плиты, необходимую температуру грунта плиты, которые обеспечивают заданн] деформации и'несущую способность основания.

8. Технико-экономическая эффективность предложенного и pi работанного способа строительства на вечномерзлых грунтах, вк. чающих ослабленные зоны, обусловлена: во-первых, возможностью использования для застройки любых площадок и территорий, в toi числе считающихся непригодными для освоения; во-вторых, стоимостью восстановления территорий, зданий и сооружений, пострадавших в результате отрицательных мерзлотных процессов (налед! термокарста, бугров пучения) возникших при нарушении экологического равновесия грунтов. Непосредственно на строительной

лощащее экономический »{фект складывается из сокращения трудо-щтрат на разработку мерзлых грунтов и расхода строительных ма-ериалов на устройство фундаментов. По приближенной оценке, пройденной на примере основания здания общежития в г. Якутске, гримениние плитного фундамента из мерзлого грунта позволило юкратить строительные затраты на 48)1 по сравнению с традици-жным решением.

Основные положения диссертации изложены в следукщих работах:

1. Кутвицкая Н.Б., Анишин A.A. Упрочненный мерзлый грунт шк несущий элемент фундамента // Геокриология.- М.- №1.- 1993. шгл. яз.

2. Кутвицкая Н.Б., Снепак М.Э., Анишин A.A. Инженерный рас-4ет вечномерзлых оснований включающих локальные таликовые зоны/ ШОСП.- U., 1993.- 6с. s 5ил,- табд.1.- Библиогр.: 3 назв.-1еп. во В11ИИИТ1Ш 15.03.93 «11329.

3. Кутвицкая Н.Б., Олепак М.Э., Анишин A.A. Исследование напряженно-деформированного состояния плитных фундаментных конструкций из мерзлого грунта / НИИОСП.- М., 1993.- 6с.: &ил, габл,1.- Библиогр.: 4 назв.- Деп. во ВДИШГГПИ 15.03.93 JH1330.

4. A.c. СССР, Способ Укрепления основания сооружений на вечномерзлых грунтах / Кутвицкая Я.Б., Плотников A.A., Слепак W.3., Разумный B.Ü., Анишин A.A. // Заявка * 48034?1/33/01430Ь с приоритетом от 31.С1.90, Решенио о выдаче от 16.01.91.

Ь. A.c. СССР, Способ устройства оснований в вечномерзлых грунтах / Кутвицкая Н.Б., Анишин A.A.// Заявка * 5029426/33/08 2107 с пршоритетом от 26.12.91, Рошпниа о выдаче от 23.05.92.