автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Закономерности взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами малоэтажных зданий и подземными сооружениями и методы их расчёта

На правах рукописи

АБЖАЛИМОВ РАИС ШАКИРОВИЧ

005020342

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУЧИНИСТОГО ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ С ФУНДАМЕНТАМИ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ И ПОДЗЕМНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЁТА.

Специальность: 05.23.02 — основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

5 ДПР

Москва - 2011

005020342

Работа выполнена в территориальном проектном институте ОАО «Омскгражданпроект» Официальные оппоненты: Ашпиз Евгений Самуилович

доктор технических наук, профессор.

Дыдышко Пётр Иванович, доктор технических наук.

Невзоров Александр Леонидович

доктор технических наук, профессор.

Ведущая организация: Институт «УралНИИпроект» РААСН.

Защита состоится «18» апреля 2012 г. в 15— ч. на заседай диссертационного совета ДМ 218.005.05 в Московском государственн университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Россия, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, зал заседаний 7-го корпуса МИИТа.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московско государственного университета путей сообщения. Отзывы на авторефер диссертации в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, npoci направлять по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан « l(o "V1 01 _20ljbr.

Учёный секретарь диссертационного coi

Шавыкина М.

Общая характеристика работы. Актуальность темы работы. Большие территории Российской Федерации характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, достаточно продолжительным зимним и коротким летним периодом. Глубина сезонного промерзания грунтов изменяется в широких пределах, достигая до 3 м и более в районах Забайкалья. В настоящее время отдельные виды зданий и инженерных сооружений возводятся с использованием в основаниях сезоннопромерзающих грунтов, в том числе пучинистых. Многие вопросы взаимодействия таких оснований с фундаментами и подземными сооружениями остаются малоизученными. Практика строительства на этих территориях выдвигает новые задачи разработки методов расчёта малоэтажных зданий и подземных сооружений по I и II группам предельных состояний.

В связи с освоением природных богатств и энергетических ресурсов Севера европейской части и Урала, Сибири и Дальнего Востока предполагается строительство новых объектов энергетики, транспортных коммуникаций, дальнейшего развития жилищно-коммунального строительства. Принятые государством программы малоэтажного строительства в России и защиты здоровья населения «Чистая вода» и защита водных объектов от загрязнения предусматривают строительство десятка миллионов квадратных метров малоэтажного строительства и большого количества очистных сооружений, ливневой, хозфекальной и промышленной канализации.

Это предопределяет потребность решения ряда проблем, связанных с обеспечением прочности устойчивости и снижением стоимости и трудоёмкости строительства малоэтажных зданий и подземных сооружений, возводимых на сезошюпромерзаемых пучинистых грунтовых основаниях. Поэтому, тема настоящей работы имеет важное народнохозяйственное и социальное значение и является актуальной как в практическом, так и в научно-теоретическом плане.

Целью диссертации является комплексное экспериментальное и расчётно-теоретическое исследование взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружениями и в разработке методов их расчёта, обеспечивающих их прочность, устойчивость, долговечность и снижение стоимости и трудоёмкости строительства по сравнению с существующими нормами проектирования. Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, связанных с исследованиями закономерностей взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружения, включающий: ¡.Изучение особенностей силового взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с сезоннопромерзающими пучинистыми грунтами путём анализа и обобщения результатов известных отечественных и зарубежных исследований по этой проблеме, оценка прочностных и деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов и изменение их во времени по опубликованным научно-техническим материалам.

2. Разработка расчётных схем взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с сезоннопромерзающим пучинистым грунтом по их подошве и боковой поверхности, с учётом длительной прочности последнего, для определения величины их морозного пучения и напряжённо-деформированного состояния (НДС).

3. Теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения под фундаментами и подземными сооружениями.

4. Установление зависимости относительной деформации морозного пучения и миграционного водонакопления от давления при промораживании образцов с грунтом по открытой схеме в лабораторных условиях с необходимой доверительной вероятностью.

5. Определение максимального значения вертикального давления морозного пучения хрунта при промораживании образцов с грунтом по открытой схеме в лабораторных условиях с необходимой доверительной вероятностью.

6. Установление закономерности взаимодействия сезоннопромерзающих пучинистых грунтов с подземными и надземными сооружениями.

7. Определение дополнительных нагрузок на фундаменты малоэтажных зданий и подземные сооружения при использовании сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве их оснований.

8. Разработка методов расчёта фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях по I и П группам предельных состояний.

9. Внедрение результатов выполненных исследований на строительных площадках Западной Сибири.

Объект исследования. Малоэтажные здания; надземные и подземные сооружения; свайные фундаменты, возведённые на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях.

Предмет исследования. Влияние сезоннопромерзающих пучинистых грунтов на прочность, устойчивость, трещиностойкость и деформации объектов исследования. Методы исследований.

1. Теоретические и экспериментальные исследования закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями.

2. Лабораторные исследования относительной деформации пучения грунтов ненарушенной структуры, миграционного влагонакопления и скорости пучения от давления и максимальных значений давления морозного пучения при относительно неизменяемом объёме (стеснённости) промораживаемого грунта.

3. Натурные исследования деформаций малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений на морозоопасных основаниях методом нивелирования, с обработкой результатов измерений методами математической статистики. •

Научная новизна работы заключается в комплексном решении проблемы взаимодействия пучинистого грунтового основания с фундаментами и подземными сооружениями, основанном на принятом в строительной механике каноническом законе равновесия; на общепризнанных физико-механических процессах, происходящих, при взаимодействии фундамента (сооружения) с талым и промерзающим пучинистым грунтом; в учёте известных длительных прочностных и деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов, позволивших научно обосновать значения и распределение вертикальных напряжений морозного пучения грунта под ними, величину их • морозного выпучивания и значения дополнительных нагрузок на них.

Наиболее важные научные результаты могут быть сформулированы следующим образом.

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана механическая модель (расчётная схема) морозоопасного основания, позволившая установить закономерность распределения вертикальных напряжений морозного пучения грунта под фундаментами малоэтажных зданий и подземными сооружениями по глубине промерзания.

2. Обоснована новая расчётная схема взаимодействия фундамента промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности, с учётом длительной прочности мёрзлого грунта на растяжение и сдвиг., и соблюдение условия равновесия, позволяющая определить распределение давления от фундамента по глубине промерзания и, соответственно, величину послойного выпучивания грунта как в обратной засыпке, так и под подошвой фундамента по мере промерзания грунта.

3. Установлена зависимость прогиба отдельных участков подземных и надземных сооружений от величины их морозного выпучивания, с учётом их изгибной жёсткости и на этой основе приняты конструктивные решения для: неотапливаемых и отапливаемых зданий; водопропускных сооружений; одноэтажного холодильника с камерами; тоннеля; отстойника;

прямоугольного закрытого ёмкостного сооружения; фундамента-опоры для надземных технологических трубопроводов; аэродромных плит, возводимых на пучинистых грунтовых основаниях, новизна технических решений которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.

4. Предложен способ определения дополнительной нагрузки на подземное сооружение от намерзания грунта обратной засыпки на его боковые поверхности при морозном пучении грунта основания (подтверждено патентом на изобретение).

5. Обоснована расчётная схема для определения крутящих моментов от сил морозного пучения, действующих на фундаменты при неравномерном промерзании и пучении грунта по ширине фундаментов и при внецентренном загружении последних.

Достоверность результатов научных исследований и выводов подтверждена лабораторными исследованиями, многолетними инструментальными наблюдениями за деформациями подземных и надземных сооружений на опытных площадках и данными статистических обработок результатов этих наблюдений, успешной эксплуатацией зданий и подземных сооружений, при проектировании которых использовались, разработки автора.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических, лабораторных, натурных экспериментальных исследований доведены до их практического использования при проектировании и строительстве малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений, свайных фундаментов на пучинистых грунтовых основаниях, а накопленный опыт их реализации свидетельствует о возможности и целесообразности внедрения в массовые инженерные изыскания и строительство предложенных методик и оборудования. Практические результаты сводятся к следующему:

1. Разработаны методы проектирования малоэтажных зданий, подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях по I и II группам

предельных состояний, с учётом дополнительных нагрузок от сил морозного пучения, обеспечивающий их прочность, устойчивость и долговечность, и позволяющий получить новые проектно-конструкторские и технологические решения, по своим технико-экономическим и экологическим показателям превосходящие существующие отечественные и зарубежные аналоги.

2. Разработана и внедрена в практику лабораторных исследований установка и способ определения относительной деформации морозного пучения, миграционного водонакопления и скорости пучения от давления, максимального значения давления морозного пучения и максимальное значение допустимого давления на оттаивающее сезонномёрзлое основание с необходимой доверительной вероятностью.

3. Разработан метод определения отрицательной температуры грунта по глубине промерзания для застроенной территории с высоким уровнем грунтовой воды, позволяющий уменьшить глубину заложения фундаментов и оснований водонесущих подземных коммуникаций на 20-25% и снизить стоимость и трудоёмкость их строительства на 10-15%.

Реализация работы. Научные наработки использованы при проектировании и строительстве более десяти подземных переходов в г. Омске; резервуара для хранения питьевой воды, объёмом 10000 м3 в г. Омске; двух отстойников на очистных сооружениях ливневой канализации в г. Ханты-Мансийске; более десяти трансформаторных подстанций в г. Омске и области, в г. Ханты-Мансийске; более 50 хозблоков в р.п. Азово Омской области; свайных фундаментов под каркасные здания в гг. Омске и Ханты-Мансийске; под технологическое оборудование наружных установок завода «Пластмасс» в г. Омске; надземной теплотрассы, протяжённостью более 4,5 км в г. Омске; 9-ти этажного жилого дома в г. Омске; водопропускного сооружения под дамбой в г. Ханты-Мансийске.

В результате внедрения новых методов проектирования получен экономический эффект на сумму, более чем 48,5 млн. руб. в ценах 2007 г. Установка для определения зависимости относительной деформации пучения

грунта от давления передана в аренду, для эксплуатации в ОАО «ОмскТИСИЗ».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на VIII научно-технической конференции НИИОСПа им. Н. М. Герсеванова (г. Москва, 1978 г.), на ежегодных научно-технических конференциях СибАДИ (г. Омск, 1981-1983 г.г.), региональных конференциях «Проблемы фундаментостроения на пучинистых грунтах» (г. Чита, 1985г.), «Инженерно-геологические проблемы Забайкалья» (г. Чита, 1987 г.), «Проблемы проектирования и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» (г. Пенза, 16-17 сентября 2004 г.), на международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (г. Алмата, республика Казахстан, 2004 г.), «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчета и инженерная практика (г. Санкт-Петербург, 2005 г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 56 работ, в том числе: 1 свидетельство на научную гипотезу и 17 патентов на изобретения и полезные модели, 1 монография и 4 нормативно-технических документа. Список основных публикаций приведён в автореферате. Личный вклад в решение проблемы. В работе обобщены материалы инженерно-геологических исследований и наблюдений за деформациями объектов, выполненных ОАО «ОмскТИСИЗом», результаты многолетних (1976-2004 гг.) исследований автора, выполненных в ТПИ ОАО «Омскгражданпроект», лабораторные исследования в холодильной камере Омского филиала СоюзДОРНИИ совместно с сотрудниками этого института.

Лабораторные исследования и натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных сооружений и температуры грунтов застроенных территорий выполнены по методике и под руководством автора, все теоретические исследования выполнены автором лично.

Натурные наблюдения за деформациями зданий, надземных и подземных сооружений и температуры грунтов застроенных территорий

выполнены сотрудниками ОАО «ОмскТИСИЗом» Ю. М. Ширмановым, Л. В.

Колода, Л. П. Королем. Лабораторные исследования относительной

деформации пучения грунтов выполнены автором совместно с инженером Л.

H. Чекановой и лаборантами Омского филиала СоюзДОРНИН и нач.

лаборатории ОАО «ОмскТИСИЗ» Головко H.H..

На защиту выносятся:

I. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения по горизонтальной подошве твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) под фундаментами и подземными сооружениями.

2. Расчетные схемы взаимодействия фундамента с промерзающим пучинистым грунтом по его подошве и боковой поверхности с учетом длительной прочности твердомерзлого грунта (ТСГ) на растяжение с соблюдением условия равновесия между вертикальными напряжениями в грунте от внешней нагрузки и вертикальными напряжениями (давлением) морозного пучения.

3. Установка и способ определения относительной деформации пучения грунта от давления в лабораторных условиях.

4. Расчетная схема взаимодействия сезонно промерзающих пучинистых 1рунтовых оснований с малоэтажными зданиями, подземными и надземными сооружениями при неравномерном морозном пучении грунта основания по их длине.

5. Методики определения дополнительных нагрузок на здания и подземные сооружения от сил морозного пучения грунта основания и обратной засыпки.

6. Методы расчета зданий и подземных сооружений, свайных фундаментов на сезонно промерзающих пучинистых грунтах.

7. Способ определения температуры грунта по глубине промерзания, при высоком уровне трунтовых вод.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, 7 глав, выводы, список литературы (310 наименований) и 4 приложения. Содержит 327 страниц, в том числе 120 рисунков и 74 таблицы. Приложения размещены на 98 страницах, в том числе 4 таблицы и 65 рисунков.

Автор выражает искреннюю благодарность генеральным директорам ТЛИ ОАО «Омскгражданпроект» И. Н. Любчичу, [В. С Прокопенко] и

генеральным директорам ОАО «ОмскТИСИЗ» И. В. Инбушанову, Б. X. Панарату за внимание и поддержку, проявленные к настоящей работе, профессорам Г. М. Погребинскому и В.И. Сологаеву за ценные советы и замечания и инженеру Колесниковой Е. П, оказавшей неоценимую помощь в подготовке диссертации к печати. Содержание работы.

Глава 1. Современные представления о взаимодействии пучинистых грунтов сезонного промерзания с малозаглубленными фундаментами и подземными сооружениями.

Рассмотрено состояние исследований по ключевым проблемам, решение которых открывает пути для использования сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений. Проведен анализ существующих исследований прочностных и деформационных характеристик мерзлых грунтов с учетом времени приложения нагрузок, величины морозного пучения грунта основания под фундаментами, зависимости относительной деформации пучения 1рунта от давления в лабораторных условиях и анализ существующих способов и оборудования для определения величины пучения под нагрузкой, анализ натурных исследований неравномерности морозного пучения, существующих расчетных схем взаимодействия фундаментов с пучинистым грунтом основания и обратной засыпки, существующих методов расчета малоэтажных зданий на сезонно промерзающих пучинистых грунтах.

Прочностные и деформационные характеристики сезонно промерзающих грунтов с учетом длительности прилагаемых нагрузок

исследовали А. Г. Бродская, С. С. Вялов, С. Э. Городецкий, С. Е. Гречищев, В. В. Докучаев, Б. Н. Достовалов, Э. Д. Ершов, Ю. К. Зарецкий, Н. А. Зеленин, В. А. Кудрявцев, Н. К. Пекарская, М. JI. Шейков, Е. П. Шушерина, Н. А. Цытович, О. В. Andersland, D. М. Anderson, J. L. Burdick, W. Gold, R. L. Harlan, G. H. Johnston и др.

Проблемам моделирования морозного пучения грунта в лабораторных условиях и оборудованию и приборам для определения пучения посвящены работы Ю. М. Васильева, Л. Б. Ганелеса, О. Р. Голли, Б. Н. Далматова, В. Д. Карлова, В. Н. Карпова, Я. А. Кроника, В. А. Кудрявцева, В. Я. Лапшина, Б. И. Мельникова, А. Л. Невзорова, Н. А. Пузакова, В. И. Пускова, А.. М. Пчелинцева, Н. Ф. Пьпцева, В. С. Сажина, В. Н. Сиденко, А. Я. Тулаева и др.

Влияние внешней нагрузки на величину пучения изучали Г. Айткен, Г. Бесков, В. В. Борщов, Ю. М. Васильев, М. Н. Гольдштейн, О. Р. Голли, В. М. Гольцов, Б. Б. Ёлгин, М. С. Грутман, И. Н. Железняк, М. Ф. Киселев, В. А. Карлов, Н. Н. Морарескул, М. А. Малышев, Э. А. Маров, Б. Н. Мельников, В. О. Орлов, Н. А. Перетрухин, В. И. Пусков, В. С. Сажин, Н. А. Толкачев, В. В. Фурсов, X. Р. Хакимов, В. Б. Швец, О. А. Шулятьев и др.

Развитию теоретических основ • силового взаимодействия малозаглубленных фундаментов и подземных сооружений на сезонно промерзающих пучинистых грунтах посвящены работы В. В. Борщова, О. Р. Голли, М. Ф. Киселева, В. О. Орлова, Н. А. Перетрухина, Г. Н. Полянкина, В. И. Пускова, В. С. Сажина, А. Н. Свяженина, В. Б. Швеца, Штернфельда и др.

Проблемам теплофизики промерзающих и оттаивающих грунтов посвящены работы:Г. Бескова, М. М. Дубина, М. Н. Гольдштейна, И. А. Золотарь, Н. С. Иванова, С. А. Кудрявцева, А. Ф. Лебедева, В. С. Лукьянова, А. В. Лыкова, В. Г. Меламеда, 3. А. Нерсесовой, В. О. Орлова, А. В. Павлова, Г. В. Порхаева, Н. А. Пузакова, А. М. Пчелинцева, И. И. Сахарова, М. И. Сумгина, И. А. Тютюнова, Г М. Фельдмана, Л. Н. Хрусталева, Н. А. Цытовича, А. В. Чистотинова и др.

Анализ состояния проблемы силового взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с сезоннопромерзающими пучинистыми грунтами, оценки их прочностных и деформационных характеристик, существующих методов определения дополнительных нагрузок на них от сил морозного пучения и методов расчета малоэтажных зданий и подземных и надземных сооружений показал актуальность и целесообразность дальнейшего развития теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с пучинистым грунтом в их основании и боковой поверхности с целью количественного определения напряжений морозного пучения и эпюры распределения его по ширине и длине фундамента, научно обоснованного метода определения величины выпучивания последних и дополнительных нагрузок на них, совершенствования оборудования и способа определения относительной деформации пучения грунта от давления в лабораторных условиях и методов расчета зданий и сооружений на сезоннопромерзаюшщих пучинистых грунтах.

Глава 2. Прочностные и деформационные характеристики сезонно промерзающих грунтов с учетом их ползучести во времени.

В этой главе проанализированы существующие исследования прочностных и деформационных характеристик мерзлых грунтов с учетом времени действия нагрузок применительно к сезонно промерзающим грунтам.

М. Ф. Киселевым установлено, что толщина пластичномёрзлого слоя грунта, или «динамическая зона фронта промерзания», где, в основном, происходит льдообразование и пучение, в среднем составляет для Московской области от 3 до 12 см. По мере охлаждения грунта, этот слой превращается в ТСГ и в нем процессы пучения практически прекращаются. Таким образом, ТСГ образуются постепенно (ступенчато), по мере промерзания грунта, и время его образования зависит от природно-климатических условий. Для упрощения расчетов минимальная толщина

ТСГ автором принята Дй/=0,125м, а время его существования (до образования следующего слоя) равным 10 суткам или 240 часам, что соответствует, примерно, средней скорости промерзания грунтов для юга Западной Сибири.

Учеными НИИОСПа им. Н. М. Герсеванова, под руководством профессора С. С. Вялова, в шестидесятых годах прошлого века были разработаны методики испытания мерзлых и вечномерзлых грунтов на прочность, с учётом их ползучести по времени, при простом и сложном их напряженном состоянии. Для определения длительной прочности на растяжение и сдвиг, для нашего случая при 1=240 часов, автором использованы экспериментальные данные, полученные С. С. Вяловым, Ю. К. Зарецким и С. Э. Городецким для пылеватой супеси (см. рис. 2).

Соотношение длительной прочности на растяжение при 1р=240 ч и к £р=50 лет п± = 0^/0^=1,47; то же, для сдвига п2=1,53 и на сжатие п3=1,58. Как показывают эти исследования, изменчивость длительной прочности по времени слабо зависит от вида и температуры грунта.

Рис. 1. Кривые длительности прочности твердомерзлого грунта при Т= -10 °С, 24 ч., 240 ч. и Ср= 50 лет: 1 - на

сжатие,2 - на растяжение, 3 - на сдвиг.

Известно, что сопротивление мерзлого грунта к сжатию в 2-6 раз больше, чем на растяжение. При изгибе консоли из ТСГ последний находится в сложном напряженном состоянии. Для этого случая С. С. Вяловым с соавторами получена формула для определения длительной прочности на растяжение и чистый сдвиг.

Для определения расчетных значений длительной прочности на растяжение и сдвиг при £р=240 ч нами использованы расчетные значения о^сжат и т^ = Дуй, приведенные в СНиП 2.02.04-88 при £р=50 лет и по формулам Вялова С.С. с соавторами, с учетом п1 — п3, определены их значения.

На основании этих исследований прочности мерзлых грунтов на сжатие, растяжение и сдвиг, с учетом их ползучести по времени, получены их значения для сезонно промерзающих грунтов юга Западной Сибири при ?р=240 ч и температуре от (-0,6°С) до (-10°С).

Для оценю! влияния давления и температуры ТСГ на его деформационные характеристики использованы решения, полученные С. С. Вяловым с соавторами.

Применительно для климатических условий юга Западной Сибири, при изменении давления под подошвой ТСГ под фундаментом по глубине промерзания от 0,2 до 0,09 МГ1А, нами получены значения модуля общей деформации при изменении ¿р=240 ч до £р=3360 ч и температуры ТСГ от -ГС до -14°С по глубине промерзания грунтов для супеси и суглинка. На рис. 3 показаны изменения модуля общей деформации по глубине промерзания.

Рис.2. Графики зависимости модуля общей деформации Е твердомерзлого грунта от его толщины, при Ср=240 ч и 3360 ч, для грунтовых условий юго-западной Сибири: 1 - для пылеватой супеси, 2 - для суглинка и глины;

а) 0Г

12__К

1

\

ч, ,1

ч

\

Глава 3. Теоретические и лабораторные исследования закономерностей взаимодействия сезоннопромерзающих пучинистых грунтов с малозаглубленными фундаментами зданий и сооружений.

3.1. Теоретическое обоснование распределения напряжений морозного пучения под фундаментами и подземными сооружениями.

По существующим в настоящее время представлениям, вертикальные напряжения морозного пучения под фундаментами и подземными сооружениями распределяются аналогично вертикальным напряжениям в грунте (далее, просто «напряжения» а.с.) от фундаментов, но имеют противоположное направление и, при перемещении фундамента, удельные нормальные силы морозного пучения под подошвой фундамента больше, чем давление от него на грунт. Однако, эти представления, с одной стороны, противоречат каноническому закону равновесия (третий закон Ньютона), принятому в строительной механике, согласно которого, при выпучивании фундаментов и подземных сооружений, удельные силы морозного пучения равны давлению от фундамента, с другой стороны, не учитывают зависимость распределения напряжений морозного пучения от физико-механических процессов, происходящих при взаимодействии фундамента (сооружения) с талым и промерзающим пучинистым грунтом в части перераспределения влаги под подошвой фундамента. Опытами К. Терцаги и других учёных было установлено, что для водонасыщенных глинистых грунтов существует зависимость между влажностью и давлением, которая отображается компрессионной кривой, согласно которой, с увеличением давления на грунт, его влажность уменьшается. С другой стороны, установлено, что при промерзании грунта под подошвой фундаментов, происходит миграция влаги из талой зоны в зону промерзания, где зависимость миграционного влагонакопления. отображается экспоненциальной кривой, согласно которой, с увеличением давления на грунт, миграционное влагонакопление также уменьшается.

Таким образом, напряжения морозного пучения будут распределяться по площади ТСГ под фундаментами, в зависимости-от перераспределения влаги под ними, до промерзания и с учётом её миграционного влагонакопления в процессе промерзания, т.е, где будет максимальное значение влагонакопления в грунте под фундаментом, там будет и максимальное значение напряжения морозного пучения, и наоборот.

Учитывая наличие под малозаглубленными фундаментами твёрдомёрзлого слоя из леска или глинистого грунта, взаимодействие пучшшстого грунта происходит непосредственно с этими слоями, имеющими показатель гибкости, по Горбунову-Посадову М.И., значительно больше £ >5. Поэтому, распределение напряжений от фундамента на пучинистые грунты принималось как для гибких фундаментов.

Для определения количественных значений распределения напряжений морозного пучения грунта под фундаментом, опёртого через мёрзлую песчаную подушку на промерзающий пучинистый грунт, автором принята его механическая модель в виде системы предварительно сжатых пружин, по аналогии с B.C. Сажиным и др., степень сжатия которых изменяется по ширине и длине фундамента по закону распределения напряжений в грунте от фундамента для линейно деформируемых тел (см. рис. 3).

Рис.3.

а) механическая модель морозоопасного основания, эпюры рг и р/г при SPz = Spfz б) зависимость максимального значения давления морозного пучения от относительной деформации пучения грунта при '' р2 =20 кПа с вероятностью d =

0,95; 1 - фундамент, 2 - песок; 3 - пластичномерзлый грунт.

\

Г1*

На первом этапе, когда фундамент или сооружение неподвижен, при промерзании 1рунта в элементарном пластично-мёрзлом слое, толщиной ограниченного сверху ТСГ под фундаментом, а снизу - талым грунтом, скорость льдообразования по ширине и длине фундамента, соответственно, рост напряжений морозного пучения, распределяются пропорционально количеству промерзающей воды в грунте и обратно пропорционально действующим от фундамента напряжениям (т.е, степени сжатия пружин).

Рост напряжений морозного пучения в ограниченном слое (практически неизменяемом объёме) или сжатие пружин в механической модели морозоопасного основания продолжается до тех пор, пока степени сжатия всех пружин не будут равны между собой, т.е, пока интегральные значения напряжений морозного пучения по подошве ТСГ не станут равны интегральному значению напряжений в грунте от фундамента и веса ТСГ для рассматриваемой глубины промерзания и не начнётся перемещение фундамента с ТСГ. При достижении напряжений морозного пучения по краям фундамента определённой величины, определяемой прочностью ТСГ (толщиной Дс1{,) на растяжение, последний разрушается под некоторым углом к вертикальной плоскости и его площадь увеличивается. Увеличение толщины и площади ТСГ под неподвижным фундаментом продолжается до тех пор, пока, согласно третьему закону Ньютона, площади эпюр напряжений, например, на 1 п.м. длины ленточного фундамента, не будут равны между собой, т.е, = (см. рис. 3) и не начнётся перемещение

фундамента.

На втором этапе, при перемещении фундамента или надземного сооружения, распределение напряжений от них, и морозного пучения под ними, остаются без изменений, т.е. рост кристаллов льда в грунте происходит при достигнутом уровне равенства, напряжений (согласно второму закону Ньютона). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется следующий слой ТСГ и не увеличится его площадь и т.д.

Тогда, уравнение равновесия между абсолютными значениями вертикальных напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и напряжениями морозного пучения грунта под подошвой ТСГ будет иметь вид:

К(х=0) + а/(х=0)\ = + = К(хг) + 0Д*2) I = •••

- = \а2{х = Ъ-±) + | = Кр + | = 2аср (I)

аг{х-^Х) - абсолютные значения напряжений в

грунте от фундамента для рассматриваемой глубины промерзания по ширине ТСГ; х( - расстояние от оси симметрии фундамента до края ТСГ под ним;

<т/(ж=о)>0/(х1)'0/(х2)'а'/(ж=Ь.) " напряжения морозного пучения по ширине ТСГ;

<у2ср и - средние значения напряжений по ширине ТСГ или средние значения давления от фундамента и морозного пучения рг п Pf , которые равны между собой.

Из формулы (1), отражающей равенство степени сжатия всех пружин в механической модели морозоопасного основания, при его выпучивании, в соответствии с третьим законом Ньютона, вытекает, что напряжение морозного пучения в любой точке под ТСГ, для рассматриваемой глубины промерзания, выражается уравнением:

(2)

При рассмотрении условия равновесия выделены две стадии напряжённого состояния.

Первая стадия, когда фундамент неподвижен. Давление пучения под подошвой ТСГ нарастает ступенчато, при Adf до тех пор, пока суммарное значение давления пучения по подошве слоя ТСГ не станет равно нагрузке от фундамента и собственного веса грунта и не произойдёт его разрушение.

Вторая стадия, когда фундамент, совместно с разрушенным слоем ТСГ, перемещается вверх.

Эта граничные условия напряжённого состояния, для плоской задачи, на 1 п.м. длины фундамента, выражаются уравнениями:

1-Spn<sLi=N^P,i>Pfm^ hff = 0 (3)

2- sv4 = Svfi = N ПРИ Vfmax > VZi = Pfr hff = 0 (4) Аналогично, для пространственной задачи:

1-УГ1<Щн=Ыприр2.>Тиах-, hff = 0 (5)

2- V"H = VPfi = N ПРИ PW > Р* = P/«5 hff = 0

Здесь N - нагрузка от здания (сооружения) на уровне подошвы фундамента, кН/м и кН; рч и руг. - соответствен, средние значения напряжений в грунте под ТСГ и давления пучения, кПа;

Р/тоаГ максимальное давление пучения грунта при неизменяемом объёме грунта, определяемое экспериментально; 5р2(, 5^., соответственно, площади эпюр напряжений в грунте и давления пучения под ТСГ для ленточного фундамента, на глубине г от его подошвы, для I и II стадии напряжённого состояния; Ур[ , , соответственно, объёмы

эпюр напряжений в грунте и давления пучения под ТСГ для столбчатого фундамента, на глубине г от его подошвы, для I и II стадии напряжённого состояния.

Условие равновесия, при перемещении фундаментов на 1 п.м. длины, в общем виде определено,

для плоской задачи: N = р2, СО • йх = /Д Тг^*) ' (7)

для пространственной задачи:

N = О-ьР^х.у) • • ¿У = 1ав/Др/,(*.У) • ^ " ¿У (8)

Используя, при определении напряжений в грунте, функцию Лапласа , получим:

хг

для плоской задачи: р2г = р2о • е т(9)

гI

для пространственной задачи: = рго • е~т' г (10)

где р2о - напряжение в центре фундамента; тг коэффициент функции Лапласа, определяемый, с учётом влияния коэффициента Кг на вертикальную составляющую напряжений рг, в зависимости от соотношений по

формуле:

*2 1 КФ

гф

Автором получены формулы для определения интегральных значений напряжений в грунте, с использованием функции Лапласа (формулы 9-11), под ленточным, круглым и квадратным фундаментами по глубине промерзания. Установленная закономерность распределения напряжений морозного пучения под фундаментами и подземными сооружениями, формулы (1) и (2), позволяет'определить дополнительные нагрузки на них от сил морозного пучения как по их ширине, так и по длине.

Таким образом, теоретически обоснована неизвестная ранее закономерность распределения напряжений морозного пучения по подошве ТСГ под фундаментами и подземными сооружениями, заключающаяся в том, что сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (подземного сооружения) и морозного пучения для любой точки площади подошвы ТСГ под ними постоянна и равна двум средним значениям напряжения в грунте от них для рассматриваемой глубины промерзания и обусловлена изменением льдонакопления по ширине и длине подошвы ТСГ, вызванным изменением напряжений в грунте, влияющих на перераспределение количества промерзающей и незамёрзшей воды в порах грунта, с учётом миграции её к зоне промерзания.

3.2. Определение горизонтальной проекции угла сдвига ТСГ под ленточными и столбчатыми фундаментами от давления морозного пучения.

Рассмотрение НДС ТСГ с учетом длительной его прочности на сжатие, растяжение и сдвиг, а также изменяющегося характера распределения напряжений в грунте от фундаментов и напряжений морозного пучения по

21

мере увеличения толщины ТСГ под ними позволяет количественно установить напряжения, возникающие в стенах, простенках и колоннах от их внецентренного сжатия, при повороте фундаментов при неравномерном промерзании и пучении грунта основания.

ТСГ сезонного промерзания в интервале температур от -0,6°С до -1,5°С имеют прочностные характеристики, близкие к бетону класса В2,5 и В3,5. Они, как и бетон, обладают анизотропными свойствами. Их прочность на сжатие в 2-6 раза больше, чем на растяжение. В связи с этим применение расчетной схемы внутренних сил, которые действуют по наклонному сечению, проходящему по наклонной трещине, и бетону под ее вершиной, применительно к ТСГ, представляется вполне правомерным. Автором рассмотрен вариант равномерного распределения давления морозного пучения по длине консоли (см. рис.4).

Эпюра С?

0 = 0:я„-сг)Г-,с,

Рис. 4. К определению горизонтальной проекции плоскости сдвига: 1 - фундамент,

2 - твердомерзлый грунт, 3 - пластичномерзлый слой грунта.

Расчет ТСГ на действие поперечной силы сводится к определению наименее выгодные значения горизонтальной проекции угла сдвига с. Из рис.4 следует, что:

<2 = <2та*-7/"С; <1<(}т (12)

Поперечная сила, воспринимаемая наклонным сечением ТСГ при образовании трещины, выражается при = (Мт/с):

Ътах = (Мт/С) + ЧГС (13)

Значение с определяется, приравнивая к нулю производную по с правой части уравнения (13):

~1Г~-Тс---^г + Яг-о.

При ЯГ=РГ:

где Ус - коэффициент условия работы ТСГ; р^ - давление морозного пучения на 1п.м. ширины консоли.

Максимальная длина консоли из ТСГ за гранью фундамента или выше расположенного слоя ТСГ, способная воспринимать давление морозного пучения при образовании наклонной трещины при равномерном распределении pf, составила 1 = 2с. В целом, длина горизонтальной проекции угла сдвига ТСГ зависит от формы грузовой площади, от распределения давления морозного пучения по длине консоли и приближается к центру тяжести внешней нагрузки. Для квадратных фундаментов, свай и прямоугольных фундаментов с = 0,61. Рекомендуется максимальное значение горизонтальной проекции наклонной трещины принять в пределах с < 2,5Дс^, где Дс^- элементарная толщина ТСГ, предлагаемая равной 0,125м.

На основании сопоставления величин выпучивания малозаглубленных фундаментов, по исследованиям В. С. Сажина и др.; В. О. Орлова и др.; свайных фундаментов - по исследованиям В. М. Гольцова, О. А. Шулятьева и др., коэффициент условий работы в формуле (13) vc принят равным 0,75.

3.3. Взаимодействие пучинистого грунта с боковой поверхностью фундаментов.

Для расчета по деформациям малозаглубленного фундамента от пучения грунта по боковой поверхности необходимо определить длину консоли из ТСГ, смерзшегося с боковой поверхностью фундамента (сваи) от действия напряжений (давления) морозного пучения согласно уравнения

равновесия, впервые предложенного Н. А. Перетрухиным в 1967 году. Автором решено это уравнение при рассмотрении НДС консоли из ТСГ, с учетом длительной прочности последнего на растяжение при изгибе от давления морозного пучения с использованием формулы (14), с соблюдением условия равновесия между удерживающими и выпучивающими силами, действующими на консоль. •

Это позволило определить нарастание длины консоли по глубине промерзания, соответственно, распределение давления морозного пучения по подошве балки-консоли, смерзшейся с боковой поверхностью фундамента и послойное выпучивание его и самого фундамента (сваи).

Учет деформации морозного пучения фундаментов от грунта обратной засыпки позволяет исключить мероприятия по защите фундаментов и ростверков от касательных сил морозного пучения.

3.4. Лабораторные исследования зависимости относительной деформации пучения грунта от давления.

С целью совершенствования ранее разработанного и испытанного оборудования (1982 г.) и методики испытаний грунтов на морозное пучение под давлением и адаптации его к требованиям ГОСТа, автором разработана новая установка и способ определения величины морозного пучения от давления, которые защищены патентами на полезную модель и изобретение. Новая установка отличается от прежней, прежде всего, габаритами холодильной камеры, размерами по внутренней поверхности 1,2x1,2x2,6 м (К), которая позволяет промораживать грунт в автоматическом режиме до -25°С. Поддон с водой для размещения 15 образцов с грунтом дополнен цилиндрическими кольцами, высотой 50 мм, с перфорированными днищами и с внутренним диаметром 100 мм. Кольца герметично приварены к поддону и заполнены крупнозернистым песком. Общая высота образцов увеличена со 140 мм до 160 мм. Механические динамометры сжатия заменены на электронные. Во время эксперимента контроль режима промерзания осуществляется тремя датчиками температуры, установленными на верхнем

и нижнем кольцах, а также, внизу цилиндрической обоймы. Для обеспечения промерзания образцов сверху вниз пространство между металлическими цилиндрами и между установкой и внутренними стенами холодильника было утеплено плитами их экструдированного пенополистирола на всю их высоту (см. рис.5).

Шесть образцов с грунтом ненарушенной структуры помещались под давлением 20 кПа и шесть образцов - под давлением 50 кПа. На трёх образцах неподвижно закреплялись электронные динамометры сжатия. Измерение перемещений морозного пучения грунтов, при различных давлениях, осуществлялись индикаторами часового типа ИЧ-25 с точностью до 0,01 мм.

Рис. 5. Схема установки для проведения лабораторных испытаний грунтов на пучинистость под нагрузкой: 1 - холодильный шкаф 1,6 х 1,0 х 0,5м; 2 -поддон; 3 - образцы грунта; 4 - динамометр ДОСМ 3.5; 5 - мессуры; 6 -теплоизоляция; 7 - шток; 8 - грузы; 9 - сосуд с водой; 10 - штатив; 1.1 -каркас из уголков; 12 - термопары; 13 - сосуд для воды.

Испытания на морозное пучение проводились в холодильной камере ОАО «ОмскТИСИЗ», в температурном диапазоне от -4°С до -6°С. Скорость промерзания грунта составляла около 2 см/сутки. Промораживание по открытой схеме длилось в течение восьми суток, при положительной

температуре воды (без подогрева). Контроль за режимом промерзания образцов с грунтом и повышением давления морозного пучения осуществлялся в реальном времени, при помощи специальных компьютерных программ. >

Зависимость относительной деформации морозного пучения от давления имеет экспоненциальный характер:

Р* = РГтах ' еХР ' £/Р() (15)

где Р/тах' значение давления пучения, полученное при промораживании образца грунта, на поверхности которого неподвижно закреплен динамометр сжатия, при относительной деформации: £рГтах - Ч+£2 (16)

где ех- относительная деформация сжатия динамометра; гг~ относительная деформация сжимаемости образца грунта; е^ - относительная деформация

пучения грунта при давлении от фундамента р/ без учета податливости £Р/т«=0; 171 ~ постоянный параметр грунта, определяемый

экспериментально, зависящий от физических и теплофизических свойств грунта и условий промерзания.

Относительная деформация пучения грунта от давления с учетом податливости е^: % = г^ + е^ (17)

Для нашего эксперимента (суглинок мягкопластичный): нормативное значение зависимости (е^ - р£):

р£ = 304 • ехр(-30,2 ■ ), при =0,009 (18)

'VI и/тах . 4 '

расчётное (о=0,95): р; = 317 • ехр(-26,8 • г'/рХ при £^^=0,0095 (19)

То же, для тугопластичного суглинка, нормативное значение зависимости

(% - Р£): Р; - 200 • ехр(-36,5 • г}р[), при £^=0,0065 (20)

Общая величина морозного пучения грунта под фундаментами определяется по формуле:

= (21) 26

где глубина промерзания грунта ниже подошвы фундамента, см; Дс^ -минимальная толщина ТСГ под подошвой фундамента, см; - степень пучинистости грунта, при давлении от фундамента (р{) на пучинистый слой грунта, с учётом собственного веса грунта. Графики зависимости - р;)

приведены на рис. б.

В процессе лабораторных исследований определяли миграционное влагонакопление для мягкопластичного и тугопластичного суглинка, в зависимости от давления. Эта зависимость имеет, также, экспоненциальный .

характер.

д/м.ед.

Рис.б. Графики зависимости относительной деформации пучения грунта от давления:

1 и 3 - нормативная и расчетная кривые для мягкопластичного суглинка,

2 - нормативная кривая для тугопластичного суглинка.

Известно, что при промораживании мягко- и тугопластичных суглинков, их осадки, при оттаивании, значительно превышают величину морозного пучения (Малышов М.А, Фурсов В.В, Карлов В.Д, Голли О.Р. и др.), а время оттаивания в несколько раз меньше, чем длительность морозного пучения. Поэтому, Карловым В.Д. предложено, ограничить для таких грунтов давление от фундаментов до значения, при котором осадки

основания, при весеннем оттаивании, не превышали - бы величину морозного пучения.

Давление на основание, при котором достигается предельное сопротивление оттаявшего грунта срезу (тследует рассматривать, как предельное (рм.и) ДМ сезонно оттаивающего основания.

Автором предлагается рЛи определять для оттаявшего грунта образцов, при р2=52,5 кПа (после определения их морозного пучения) методом одноплоскостного среза в условиях неконсолидированно -недренированного испытания, согласно действующему ГОСТу. Результаты опытов на срез в указанных условиях приведены в таблице :

Таблица

Грунты Предельное сопротивление срезу, кПа. тн/т№.и ?Ш.и> кПа

до промерзания, после оттаивания, тйш

Суглинок: мягкопластичный тугопластичный

85 37,5 2,27 150

100 42,5 2,35 200

Глава 4. Натурные экспериментальные исследования взаимодействия пучинистых грунтов с малозаглубленными фундаментами и подземными сооружениями.

Рассмотрены конструктивные особенности малоэтажных зданий и сооружений, подземных переходов, условия промерзания грунтов в обратных засыпках и основаниях, инженерно-гидрогеологические условия площадок строительства и методы исследования их деформаций.

Натурные исследования деформаций семи экспериментальных подземных' переходов, трансформаторной подстанции и опор надземной теплотрассы, протяженностью 4,5 км, из двух труб диаметром 716 мм, построенных на сильнопучинистых грунтовых основаниях, были проведены в г. Омске, в течении 1976-1990 годы. Продолжительность измерений деформации за каждым объектом составила от 3-х до б-ти лет. Всего было произведено более 10 тысяч измерений.

Наиболее информативной характеристикой совместной деформации основания и сооружения, с помощью которой достаточно точно можно определить напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций, является относительный прогиб отдельных участков или всего здания (сооружения).

Наибольшие неравномерные деформации возникают в начале промерзания и по мере увеличения глубины промерзания они медленно возрастают, т.е, между прогибами (выгибами) отдельных участков и величиной морозного пучения этих участков слабая корреляционная зависимость, что объясняется увеличением совместной изгибной жесткости твердомерзлого грунтового основания и плиты днища. На рис.7 приведены граничные области распределения значений прогибов (выгибов) участков, длиной 21 (где I - длина стеновой панели или расстояние между колоннами) в зависимости от величины их пучения, определенные с вероятностью а=0,5; а=0,98; а=0,99.

В общем виде границы этих областей представляют собой параболические кривые второго порядка, симметричные относительно оси абсцисс, что выражается уравнением:

hff = a- f2 — с (22)

где hff - средняя величина пучения грунта основания участков, длиной 21 мм; /- величина прогиба (выгиба) длиной 21 мм; а и с- параметры квадратной параболы, соответственно, 1/мм илш.

Вершина параболы сдвинута влево от оси ординат, что говорит о наличии усадочных деформаций грунта основания при его промерзании. Граничные области распределения прогибов (выгибов) участков могут быть определены с достаточной надежностью. По мнению Ржаницына А.Р, для элементов зданий и сооружений, повреждение которых не вызывает серьезных последствий и не требует срочного ремонта, коэффициент запаса рекомендуется принять равным двум, при этом вероятность появления недопустимых повреждений составляет 2,28%. С учетом этого требования

Рис. 7. Граничные области распределения значений прогибов

Рис. 8. Граничные области распределения значений прогибов

(выгибов) участков центральной части (выгибов) участков теплотрассы тоннелей длиной 2<1 в зависимости от длиной 2й в зависимости от

рекомендуется принимать значения доверительной вероятности а=1-0,0028=0,98. Тогда, принимая а и с уравнения (23) для центральной части тоннеля с вероятностью сс=0,98 и решая его относительно /, получим:

где а=0,44; с =1,9.

Натурные исследования деформаций тоннелей показали, что наиболее уязвимым местом в конструкциях подземных переходов являются участки примыкания лестничных сходов к тоннельной части при их перпендикулярном расположении друг к другу, что объясняется различными условиями промерзания и оттаивания грунтов вдоль торцевой стены лестничного схода и различными значениями изгибной жесткости [£/] этой стены по длине. Поэтому рекомендуется лестничные сходы отделять от тоннельной части деформационными швами до плиты днища. Выражение (23) получено для центральной части тоннеля с колоннами с изшбной жесткостью [£7]=4,3б'105 кН-м2. Значения прогибов (выгибов) участков стен тоннельной части и лестничных сходов будут обратно пропорциональнь1 их изгибным жесткостям[£/](Т|Л):

величины пучения с вероятностью: величины пучения с вероятностью:

1 - а=0,5; 2 - о=0,98; 3 - а=0,99. 1 - а=0,5; 2 - а=0,98; 3 - а=0,99.

(23)

/(т,л) = ±А • (Нг/ +1,9)70,44 (24)

См)

д = £п. 11££Ь<1 (25)

Л л/СЗДп ~

проектируемого и экспериментального участков; [£/]„ и [Е}]э-соответственно, изгибная жёсткость проектируемого и экспериментального участков: [Е]]э= 4,36-105 кН-м2.

Выражения (24) и (25) используются и при определении прогибов и выгибов малоэтажных зданий, при условии: I - Н (где Я - высота здания от низа фундамента до центра тяжести верхнего пояса под плитами покрытия) и [Е/]с >4,36-Ю5 кН-м2 (где [Е]]с- обобщённая изгибная жёсткость фундамента, стены и пояса).

На рис.8 приведены граничные области распределения значений прогибов (выгибов) участков, длиной 21 (где I - расстояние между опорами) в зависимости от величины их пучения, для надземной теплотрассы, с изгибной жёсткостью трубопроводов [£/]тр=5,37-10б кН-м2, определённые с вероятностью а=0,5; а=0,98; а=0,99. В общем виде границы этих областей представляют собой параболическую кривую четвёртого порядка, симметричную относительно оси абсцисс, что выражается уравнением:

hff = а- f'l — с (26)

где а и с - параметры параболической кривой четвёртого порядка, соответственно, ]/мм3 и мм. Тогда, с вероятностью а=0,98, прогиб определяется из уравнения:

/ = I// + 2,7)/0,055 (27)

где X определяется нз формулы (26), при [йу]э=5,37-106 кН-м2. При этом проектируемый уклон материалопроводов на мелкозаглубленных фундаментах следует принять по формуле: I

где ¿т - технический уклон.

МП = ¿Т + 7 (28)

При расчёте подземных сооружений на пучинистых грунтах следует учитывать дополнительную нагрузку от смерзания грунта обратной засыпки котлована со стенками тоннеля (см. главу 5).

В этой главе предложен метод определения отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания, при высоком уровне грунтовой воды, на основе натурных исследований, с использованием данных многолетних наблюдений агрометеостанций в Омской области за распределением отрицательной температуры по глубине промерзания для сухих грунтов, под снежным покровом и без него, с необходимой доверительной вероятностью. Кроме этого, рассмотрено распределение температурных полей при взаимодействии промерзающего грунта вокруг фундаментов наружных стен с отапливаемыми жилыми и производственными зданиями с использованием метода конечных элементов по программе «Тегпк^гоипс!».

Глава 5. Экспериментальные исследования закономерности распределения напряжений морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями.

5.1. Экспериментальное исследование распределения напряжений морозного пучения под подземным пешеходным переходом.

При выборе методики эксперимента исходили из того, что распределение напряжений в грунте под подземным сооружением (фундаментом) осуществляется по модели теории линейного деформирования грунта, как сплошной среды. В настоящее время отсутствуют надёжные способы измерения напряжений морозного пучения под плитой подземного сооружения, при помощи тензодатчиков и месдоз, из-за изменения температуры грунта по времени. Этот процесс хаотичен и не поддаётся описанию в обычных функциях (Тартикулиев З.Л, Лифанов В.В. и др.). При определении НДС, за основу принято измерение деформаций (прогибов) плит днища подземного сооружения, так как между напряжениями и деформациями существует прямая зависимость (закон

Гука). При моделировании взаимодействия плиты днища подземного пешеходного тоннеля, как одной из сторон коробчатой железобетонной рамы, с пучинистым грунтом основания и определении их НДС, коэффициент подобия должен быть равен единице, как по геометрическим размерам, так и по температуре грунта и времени эксперимента. Только при этих условиях можно получить достоверные количественные значения деформаций и напряжений, соответствующих реальным условиям работы сооружения в процессе промерзания и морозного пучения грунта основания. Это предопределило проведение экспериментов в натурных условиях в достаточно длительном промежутке времени в течение трёх зим.

Эксперимент проводился на подземном пешеходном переходе у проходных Сибзавода г. Омска, в течение трёх зим (1986-1987, 1987-1988, 1988-1989 гг.). Среднее максимальное значение прогибов плит днища подземного перехода за три года наблюдений составило /=15,2 мм, при среднеквадратичном отклонении сг=1,85 мм и коэффициенте вариации

характеристики у = (ег//)=0,122

Используя известную из строительных норм проектирования железобетонных конструкций связь между прогибом, в середине пролёта изгибаемого элемента с защемлёнными опорами, и кривизной элемента, в середине пролёта и на левой и правой опорах, зависящую от изгибающего момента и принимая распределение напряжений морозного пучения под днищем по уравнению параболы, с учётом формул (1) и (2), автором получены значения вертикальных сил, приложенных по наружным граням стен от намерзаемого грунта, приблизительно равные, исходя из веса 30 кН/м2 на каждую стену, а значение напряжения морозного пучения под подошвой плиты днища в ее центре равной 114 кПа. Данный способ определения веса грунта, намерзаемого на боковые поверхности стен подземного сооружения, защищен патентом на изобретение. В общем виде, вес намерзаемого грунта (песка) предлагается определить по формуле:

где уп- коэффициент по назначению сооружения; ус- коэффициент условий работы, принимаемый в зависимости от климатических условий района строительства:

Ус = ¿72260 ' (30)

индекс промерзания для района строительства, принимаемый по нормам проектирования в (град./сут.)\ Яг(- вес намерзаемого грунта (песка) на 1 м2 поверхности стены подземного сооружения, принимаемый равным 30 кН/ м2 (кПа); й- глубина заложения низа подземного сооружения, с учётом пластового дренажа от планировочной отметки земли (или от поверхности проезжей части улицы).

На рис.9 показаны эпюры распределения напряжений в грунте от подземного сооружения, с учётом веса намерзаемого грунта и напряжений морозного пучения, которые подтверждают обоснованность закономерности распределения напряжений морозного пучения под подземными сооружениями (см. формулы 1 и 2 и рис. 3).

Рл-1абкН Рю-18бкн

—ч

'в

Рис.9. Эпюры распределения

30

напряжений б2и бг[ от внещних 125 нагрузок: ц, РЛ, Рв, МА и Мв под подземным переходом у Сибзавода.

-з

, Он

162

-ей

5.2. Тестирование теоретических доказательств закономерности распределения напряжений морозного пучения под фундаментами с натурными перемещениями фундаментов.

В соответствии с предложенной автором расчетной схемой взаимодействия пучинистых грунтов сезонного промерзания с мало заглубленными фундаментами и полученной зависимостью (£^ —р¡) по

формулам подобных (18) и (20), с учетом свойств аффинных кривых (Голли О.Р.), получены формулы для определения зависимости относительной деформации пучения грунта от давления для экспериментальных участков: №2 - Вологодская область, №3 - Калужская область, №4 - Ярославская область по известным значениям (по исследованиям В. С. Сажина с соавторами), а также для экспериментальной площадки №3 г. Читы (по исследованиям В. О. Орлова с соавторами).

На рис. 10 приведены кривые зависимости относительной деформации пучения грунта от давления для этих участков.

0,14 0Л2

А

\

\ Л ) 1.4 о

\\ Ъ №

и <н N

\ .5 \

X 2 Э' 1',4 ¡а

5' £ / 2' 7" .......

V- - йг 3=7 -¿г

Рис. 10. Графики зависимости (н^ — , полученные автором

по данным лабораторных исследований кривая (1) для площадок №2,3 и 4 - кривые (2,3,4) и для площадки №3 г.Чита - кривая (5), 6 -

уравнение прямой гу

Р„, кПа

Ртах

=4,33x10"5 (Р/„

-80).

Экспериментальные фундаменты, принятые для сопоставления по исследованиям В. С. Сажина и В. О. Орлова с соавторами, только 2 из 81 имеют отклонения более ±27%. Тестирование величин выпучивания этих же фундаментов по версии распределения напряжений морозного пучения под ТСГ, предложенной Голли О. Р, дали отклонения от натурных значений в 2,33 раза больше, чем по формулам (1) и (2) автора. Это свидетельствует о том, что предложенные автором расчетные схемы фундаментов с определением НДС ТСГ под ним, с учетом длительной прочности их на растяжение при изгибе, установка и способ определения относительной деформации пучения грунта от давления в лабораторных условиях

объективно отражают процессы взаимодействия пучинистых грунтов с фундаментами зданий и достаточно убедительно подтверждают предложенную автором (см. рис. 3 и формулы 1 и 2) теоретическую обоснованность модели морозоопасного основания под ними.

Глава 6. Расчеты зданий и подземных сооружений при использовании сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований.

В этой главе представлены методы определения дополнительных нагрузок и воздействий на малозаглубленные и свайные фундаменты и подземные сооружения от сил морозного пучения, вызванных:

- неравномерным распределением пучения в основании фундамента, плиты, вызванного существенно вероятностным характером процессов промерзания и пучения грунтов, имеющий случайный характер;

- неравномерным ' распределением напряжений пучения в основании фундамента ТСГ, вызванного неравномерным промерзанием грунта под ними, например, под наружными фундаментами отапливаемых зданий или для этих же фундаментов, при промерзании грунта со стороны подвала в процессе строительства или эксплуатации;

- смерзанием грунта обратной засыпки с боковой поверхностью стен подземного сооружения при морозном пучении грунта под плитой днища;

- анкеровкой свай ростверка в талые слои грунта.

Использование сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований под здания и сооружения предполагает их совместную работу при морозном выпучивании основания зимой и осадке при оттаивании. В связи с этим, учет изгибной и сдвиговой жесткости последних позволяет определить неравномерность морозного выпучивания оснований. Более того, регулируя жесткостные характеристики, можно получить более экономичные технические решения. Вопросу учета изгибной жесткости зданий и сооружений уделяется особое внимание.

Подробно рассмотрена последовательность расчета по предельным состояниям:

- малоэтажных зданий на малозаглубленных ленточных фундаментах;

- многоэтажного здания в период строительства;

- малозаглубленного малоэтажного здания на плитном фундаменте;

- надземных материалопроводов на малозаглубленных фундаментах;

- свайного фундамента с ростверком на пучинистом грунтовом основании;

- тоннелей подземных пешеходных переходов;

- закрытых прямоугольных емкостных сооружений, типа резервуаров) для водоснабжения и канализации;

- открытых емкостных сооружений, типа отстойников;

- жёсткой железобетонной аэродромной плиты.

Приводятся мероприятия по уменьшению совместной деформации стен.

Глава 7. Внедрение результатов исследований и их технико-экономическая эффективность.

В соответствии с изложенной в главе 6 методикой расчета малоэтажных зданий и подземных сооружений, на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях, с использованием более 13 патентов, построены в Омской области и в г. Омске десятки трансформаторных подстанций, 50 гаражей и хозпостроек р.п. Азово , 9 этажный жилой дом , около десяти подземных пешеходных переходов в г. Омске, резервуар для хранения питьевой воды, объемом 10000 м3 в г. Омске, водопропускное сооружение в г. Ханты-Мансийске, два отстойника ливневой канализации общей площадью 6000 м2 в г. Ханты-Мансийске, свайные фундаменты для каркасных зданий в г. Омске и г. Ханты-Мансийске.

На основании двух патентов изготовлена промышленная установка и разработан способ определения относительной деформации пучения грунтов от давления и способ определения влажности оттаявшего грунта, при давлениях 20 и 50 КПа, с использованием этой же установки, позволяющая с достаточной надежностью определить деформации морозного пучения и

осадки после оттаивания грунтов основания и их прочностных характеристик.

Использование сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований под фундаменты малоэтажных зданий и сооружений, с использованием разработок автора, позволяет снизить стоимость возведения их подземной части в 1,5-3 раза, а трудоемкость - в 2-3 раза, по сравнению с существующими нормами проектирования для г. Омска и Омской области.

При проектировании тоннелей подземных переходов, снижение стоимости строительства составляет 7-15%, а для емкостных подземных сооружений - 15-25%, по сравнению с существующими нормами для юга Западной Сибири.

Определение расчётной глубины проникания 0°С, с использованием многолетних данных проникания 0°С в сухие грунты управления гидрометеорологических служб позволяет снизить глубину заложения фундаментов и инженерных коммуникаций на застроенных территориях городов и населенных пунктов Омской области с высоким уровнем грунтовых вод до 20% и снизить их стоимость строительства на 10-15%.

По способам использования сезоннопромерзающих грунтов в качестве оснований для малоэтажных зданий и подземных сооружений автором получены 17 патентов, которые внедрены при строительстве.

Общие выводы и результаты.

В диссертации содержатся новые научно обоснованные предложения, использование которых обеспечивает решение крупной прикладной научной проблемы по проектированию эффективных фундаментов и конструкций малоэтажных зданий, подземных сооружений, жестких аэродромных покрытий и свайных фундаментов, возводимых на пучинистых грунтовых основаниях, которые заключаются в следующем:

1.В результате теоретических исследований автор разработал математическую модель взаимодействия пучинистого грунтового основания

с подошвами фундаментов и подземных сооружений. Получены аналитические зависимости позволяющие установить распределения вертикальных напряжений морозного пучения грунта под подошвами фундаментов и подземных сооружений, являющихся внешней нагрузкой по отношению к ним, определить значения крутящих моментов, действующих на фундаменты при неравномерном промерзании и пучении грунта под ними, определить площади твердомерзлых слоев грунта по глубине промерзания под фундаментами и соответственно перераспределения давления от них на пучащиеся слои грунта.

2. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность полученных аналитических зависимостей при расчете величины выпучивания фундаментов и прогиба плит днища подземных пешеходных переходов и позволили обосновать новые расчетные схемы взаимодействия фундаментов и подземных сооружений с пучинистым грунтом.

3. Предложена новая расчетная схема взаимодействия фундаментов с пучинистым грунтом основания, учитывающая НДС консоли из ТСГ под ними от давления морозного пучения, с учётом его длительной прочности на растяжение, с соблюдением условия равновесия между интегральными значениями напряжений в грунте от фундаментов и интегральными значениями напряжений морозного пучения под подошвой ТСГ. Эта расчетная схема позволяет аналитически определить горизонтальную проекцию и угол сдвига ТСГ консоли, увеличение его площади по глубине промерзания, определить крутящие моменты, действующие на фундаменты при неравномерном промерзании и пучении грунта основания по ширине и площади подошвы ТСГ и послойное выпучивание грунта под ним.

4. Предложена новая расчетная схема взаимодействия пучинистого грунта обратной засыпки с боковой поверхностью фундамента, учитывающая НДС. консоли из ТСГ, смерзшегося с боковой поверхностью фундамента, от давления морозного пучения, с учетом его длительной прочности на растяжение и сдвиг по поверхности смерзания с соблюдением условия

равновесия между удерживающими и выпучивающими его силами. Эта расчетная схема позволяет перейти от касательных сил морозного пучения, определяемых при неподвижном фундаменте, к нормальным силам морозного пучения, действующим на консоль из ТСГ и аналитически определить горизонтальную проекцию и угол сдвига ТСГ консоли, увеличение его длины по глубине промерзания и, соответственно, перераспределение давления от фундамента между его подошвой и боковыми консолями из ТСГ и послойное выпучивание грунта обратной засыпки и всего фундамента. Это дает возможность расчета фундаментов по второму предельному состоянию в пучинистых грунтах, исключив мероприятия по защите фундаментов от касательных сил морозного пучения.

5. Разработана и изготовлена промышленная установка для определения относительной деформации морозного пучения от давления, защищенная двумя патентами, позволяющая одновременно испытать 15 образцов грунта ненарушенной структуры, под напором воды и без него, с требуемой скоростью промерзания, с использованием динамометров сжатия для измерения максимального значения давления морозного пучения при относительно неизменяемом объеме промерзаемого грунта, с регистрацией послойных деформаций, температур и давления морозного пучения, с использованием компьютера и получить результаты характеристики пучения с необходимой доверительной вероятностью, значительно сократив сроки испытаний. Разработан способ определения зависимости относительной деформации пучения грунта от давления по данным испытаний. Установлена экспоненциальная зависимость относительной деформации пучения грунта, миграционного влагонакопления и скорости пучения от давления.

6. Установлен и защищен патентом на изобретение способ определения дополнительной нагрузки на подземное сооружение от намерзания грунта обратной засыпки на боковые поверхности стен при морозном пучении грунта основания.

7. Установлена зависимость величины прогиба (выгиба) отдельных участков подземных переходов, длиной 21, от величины их пучения для центральной части и наружных стен (1 - длина стеновой панели или расстояние между колоннами), с учетом их изгибнсй жесткости и предельно-допустимые значения прогибов этих участков.

8. Установлена зависимость величины прогиба (выгиба) отдельных участков надземных материалопроводов на малозаглубленных фундаментах от величины их пучения, с учетом изгибной жесткости, и допустимые уклоны трубопроводов при неравномерном морозном пучении опор (фундаментов).

9. Обоснована расчетная схема в виде неразрезной балки постоянной изгибной жесткости на равнооседающихся опорах, для определения усилий в конструкциях стен подземных и надземных сооружений, малоэтажных зданий, при неравномерном морозном пучении грунта основания по их длине, где величина перемещения опоры равна прогибу участка длиной 21, позволяющая с достаточной для инженерных расчетов точностью, определить изгибающие моменты и перерезывающие силы в стенах сооружений.

10. Получена аналитическая зависимость глубины проникания 0°С в грунт, в зависимости от фактической влажности, для всех районов Омской области, позволяющая с необходимой надежностью определить толщину ТСГ и глубину заложения фундаментов, ростверков и подземных коммуникаций, уменьшить объем земляных работ на 10+20%, по сравнению с существующими нормами проектирования. Определены скорости промерзания грунта по месяцам, при температурах: ±0,0°С; -0,б°С; -1,0°С, для очищенной и неочищенной от снега поверхностей и распределение отрицательной температуры грунтов, по глубине промерзания, при высоком уровне грунтовой воды.

11. Разработаны методы проектирования малоэтажных зданий, надземных и подземных сооружений, жёстких железобетонных аэродромных покрытий и свайных фундаментов на пучинистых грунтовых основаниях по I и II

группам предельных состояний, с учётом дополнительных нагрузок от сил морозного пучения, обеспечивающие их прочность, устойчивость и долговечность, и позволяющие получить новые проектно-конструкторские и технологические решения по своим технико-экономическим и экологическим показателям, превосходящие существующие отечественные и зарубежные аналоги, которые защищены семнадцатью патентами на изобретения. 12. Разработки соискателя реализованы в ОАО ТПИ «Омскгражданпроект» при проектировании и строительстве малоэтажных зданий, подземных и надземных сооружений, свайных фундаментов в г. Омске и Омской области, в г. Ханты-Мансийске. Использование сезонно промерзающих пучинистых грунтов, в качестве основания, позволяет снизить стоимость строительства от 7 до 25% и уменьшить трудоемкость работ до 20-30%.

Основными направлениями дальнейших исследований являются следующие:

- совершенствование метода испытаний грунтов на морозное пучение с целью сокращения сроков испытаний;

- исследование влияния твердомерзлого слоя грунта, образуемого при промерзании, на увеличение изгибной жесткости плит днтца и наружных стен подземных сооружений.

Публикации по теме диссертации.

1. Абжалимов Р.Ш. Экспериментальная проверка устойчивости подземных переходов на пучинистых грунтах. //Основания, фундаменты и механика грунтов, 1981, №3. с.10-12.

2. Абжалимов Р.Ш. Опыт строительства подземных переходов на пучинистых грунтах. //Транспортное строительство, 1982, №7, с. 13-14.

3. Абжалимов Р.Ш. Лабораторные исследования морозного пучения. //Основания, фундаменты и механика грунтов, 1982, №5, с. 20-22.

4. Абжалимов Р.Ш. Остаточные деформации конструкций подземных переходов на пучинистых грунтовых основаниях. //Основания, фундаменты и механика грунтов, 1983, №2, с. 8-10.

5. Абжалимов Р.Ш. О дополнительной нагрузке, возникающей вследствие намерзания грунта обратной засыпки на стенки подземного перехода. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1987, №6, с. 29-31.

6. Абжалимов Р.Ш. Расчет подземных пешеходных переходов при неравномерном морозном пучении основания. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1989, №2, с. 16-17.

7. Абжалимов Р.Ш. К расчету трубопроводов на мелкозаглубленных фундаментах при пучинистых грунтовых основаниях. //Транспортное строительство. 1999,11, с. 28-30.

8. Абжалимов Р.Ш. К расчету резервуаров на пучинистых грунтах. //Промышленное и гражданское строительство. 2000, №1, с. 45-46.

9. Абжалимов Р.Ш. К расчету малоэтажных зданий на мелкозаглубленных фундаментах в пучинистых грунтах. //Транспортное строительство. 2001, №3, с. 13-16.

10. Абжалимов Р.Ш. Опыт строительства жилого дома на подсыпке при глубоком сезонном промерзании грунтов. //Промышленное и гражданское строительство. 2001, №4, с. 49-51.

11. Абжалимов Р.Ш. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с боковой поверхностью мелкозаглубленного ленточного фундамента. //Промышленное и гражданское строительство: 2003, №3, с. 43-45.

12. Р. Ш. Абжалимов, Бааль А.И. Использование пучинистых грунтов сезонного промерзания в качестве оснований под отстойники очистных сооружений. //Промышленное и гражданское строительство. 2003, №12, с. 27-28.

13. Абжалимов Р.Ш. Гипотеза о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта под фундаментами. //Основания, фундамента и механика грунтов. 2004, №1, с. 23-28.

14. Абжалимов Р.Ш. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с ростверками свайных фундаментов. //Транспортное строительство. 2004, №6, с. 13-17.

15. Абжалимов Р.Ш, Любчич И.Н. К определению прочностных и деформационных характеристик сезонно промерзающих грунтов. //Промышленное и гражданское строительство. 2005, №9, с.9-11.

16. Абжалимов Р.Ш, Любчич И.Н. Использование сезонно промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для подземных сооружений. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 2005, №1, с.26-29.

17. Абжалимов Р.Ш. Практические приложения гипотезы о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами. //Промышленное и гражданское строительство. 2006, №2, с.38-40.

18. Абжалимов Р.Ш. К расчету свай и свайных ростверков на пучинистых грунтах. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 2006, №2, с.25-30.

19. Абжалимов Р.Ш. К расчету прочности твердомерзлого слоя грунта под фундаментами. //Промышленное и гражданское строительство. 2006, №12, с.42-44.

20. Абжалимов Р.Ш. К определению расчетных значений распределения отрицательной температуры грунтов по глубине промерзания. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007, №1, с.26-29.

21. Абжалимов Р.Ш. Закономерность распределения напряжений морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями. Новосибирск. Изд-во СО РАН, 2008,- 77с.

22. Абжалимов P.III, Головко H.H. Лабораторные исследования зависимости морозного пучения грунта от давления в малогабаритной промышленной установке.// Инженерная геология. 2008, №4,- с 30-35.

23. Абжалимов Р.Ш. К определению напряжённо-деформированного состояния (НДС) монолитных железобетонных плит под автомобильными дорогами и аэродромами, при морозном пучении их оснований.// Инженерная геология. 1/2009, март.- с 20-23.

24. Абжалимов Р.Ш. К определению распределения напряжений морозного пучения' грунта под фундаментами.// Инженерная геология, июнь 2/2009. -с12-17.

25. Абжалимов Р.Ш. Об одном эксперименте строительства одноэтажного здания на мерзлом пучинистом грунтовом основании в г.Омске. // Инженерная геология. Сентябрь 2009 - с 34-37.

26. Абжалимов Р.Ш. К определению крутящих моментов, действующих на малозаглубленные фундаменты при неравномерном промерзании и пучении грунтовых оснований. // Инженерная геология. 4/2009, декабрь. - 14-18.

27. Абжалимов Р.Ш. Принципы расчёта малоэтажных зданий и подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях.// Геотехнические проблемы мегаполисов: Труды международной конференции по геотехнике, Москва, 7-10 июня 2010 г.- М.: НИИОСП, ПИ Геореконструкция, 2010,- Том 4, с. 1351-1358.

28. Абжалимов Р.Ш. Механическая модель взаимодействия морозоопасного грунтового основания с фундаментом. //Геотехника. №3, 20Ю.с. 28-34.

Абжалимов Раис Шакнровнч

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУЧИНИСТОГО ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ С ФУНДАМЕНТАМИ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ И ПОДЗЕМНЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ И МЕТОДЫ ИХ РАСТЁТА

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати ОЯ С? / 2 Формат 60x80 1/16 Объем 1,5п.л. Заказ Тираж 100 экз.

ЦПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9