Теория и практика проектирования фундаментов зданий и сооружений

       

Факторы, определяющие интенсивность морозного пучения грунтов


Процесс морозного пучения грунтов зависит от многих факторов, которые можно разделить на четыре группы: географо-климатические условия, инженерно-геологические и гидрогеологические особенности территории, теплофизические характеристики грунтов, техногенные факторы.

Географо-климатические особенности территорий строительства, то есть средняя годовая температура грунтов, годовая амплитуда колебания температур на их поверхности и другие, прежде всего, определяют широтную и высотную зональность сезонного промерзания грунтов. Средняя годовая температура воздуха и грунта не остается постоянной из года в год, она непрерывно колеблется. Изменяется и глубина промерзания грунтов.

В южной части Дальнего Востока в естественных условиях, особенно в горных районах, широтная зональность типов сезонного промерзания и протаивания грунтов может заметно изменяться и искажаться за счет наложения высотной зональности. Рельеф и экспозиция склонов местности во многом определяют температурный режим грунтов застраиваемой территории.

Существенное влияние на процесс морозного пучения, на глубину промерзания грунтов оказывают инженерно- и гидрогеологические особенности территории. В зависимости от состава и влажности грунтов в каждом регионе глубина сезонного промерзания может изменяться в широких пределах, которые могут быть вычислены по существующим расчетным формулам, учитывающим среднюю годовую температуру грунтов, амплитуду температур на их поверхности, состав грунтов и их влажность. На основе вышеизложенного возможно составление карт сезонного промерзания грунтов на требуемой территории.

Подробнее остановимся на основных факторах, количественно характеризующих интенсивность пучения. К ним относятся следующие:

гранулометрический, минералогический и химический состав грунтов;

водно-физические свойства и глубина залегания подземных вод в период промерзания;

плотность грунта;

степень охлаждения грунта, зависящая от температуры наружного воздуха и теплоизоляции на его поверхности, скорость промерзания;

техногенные факторы, связанные с обустройством и застройкой территории.

<
Важным физическим показателем склонности грунтов к морозному пучению является степень раздробленности минеральных частиц, то есть дисперсность грунтов. В зависимости от размеров и формы частиц наблюдается различная активность взаимодействия грунтовых частиц с водой и способность к морозному деформированию. Экспериментально установлено, что в открытой системе (имеется свободный выход воды из грунтов при их промерзании) не подвергаются пучению грунты с крупностью частиц более 0,1 мм даже с небольшим (не более 3%) содержанием глинистой фракции, что связано с малым воздействием силового поля скелета грунтов на пленочный механизм миграции воды. Наибольшему пучению подвергаются грунты с преобладающим содержанием пылеватой (0,05 ... 0,005 мм) фракции, что обеспечивает наиболее благоприятные условия миграции влаги.

Согласно СНиП 2.02.01-83* [20] к пучинистым относятся все глинистые грунты, пески мелкие и пылеватые, а также крупнообломочные грунты и пески от гравелистых до песков средней крупности, содержащие пылевато-глинистый заполнитель. Крупнообломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, считаются непучинистыми при любом уровне подземных вод.

Процесс пучения связан с миграцией воды. При этом первостепенную роль играет пленочная (рыхлосвязанная) вода, которая своим перераспределением в зоне промерзания оказывает влияние на пучение грунта.

Наибольшее количество пленочной воды содержится в тонкодисперсных грунтах, имеющих большую удельную поверхность минеральных частиц, поэтому наиболее пучиноопасны глинистые грунты.

Влияние минерального состава тонких фракций на пучение в крупнообломочных и песчаных грунтах практически отсутствует. Оно становится заметным в глинистых грунтах, у которых химическая активность взаимодействия частиц с водой зависит от природы глинистых минералов.

Наиболее опасны грунты с каолинитовой основой, которые обладают достаточно жесткой кристаллической структурой, а значит и повышенной влагопроницаемостью. На Дальнем Востоке в грунтах преобладают минералы каолинита, этим проблемы строительства на пучиноопасных грунтах усугубляются.



Интенсивность пучения грунтов повышается при их увлажнении, при наличии подземных вод в пределах слоя сезонного промерзания или близком расположении их к границе промерзания.

Пучение обусловлено предзимним увлажнением грунтов. Основным источником увлажнения служат атмосферные осадки и подземные воды. Наиболее распространенным путем увеличения слоя сезоннопромерзающих грунтов является капиллярное передвижение воды в пределах каймы капиллярного поднятия от уровня подземных вод (УПВ).

Ориентировочное минимальное расстояние, м между полной глубиной сезонного промерзания и предзимним положением УПВ, при котором эти воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, принимается по данным В.О.Орлова [37].

Освоение и застройка площадей приводят к нарушению гидрогеологического режима грунтов, как правило, к подтоплению территорий [27], что необходимо учитывать при оценке промерзания и пучения грунтов.

Одним из начальных условий пучения глинистых грунтов является наличие влажности больше критической
. Допускается принимать значения Wcr, равные влажности на границе раскатывания.

Влияние плотности грунта на интенсивность пучения неоднозначно и зависит от степени водонасыщения грунта. По мере увеличения плотности при неполном заполнении пор грунта водой, интенсивность пучения суглинка возрастает и достигает максимума при значении плотности скелета
, равном
, где
– оптимальная плотность грунта, под которой понимается наибольшая плотность при стандартном уплотнении (рис. 2.2). Напротив, при полном водонасыщении грунтов наблюдается обратная зависимость: с увеличением плотности пучение уменьшается.

По температурному признаку процесс пучения характеризуется интервалом температур, краевые значения которого определяют начало процесса пучения Тн и его прекращение Тк. Результаты опытов В.О.Орлова [37] и других исследователей показывают, что значения температур Тн и Тк, зависящие от дисперсности, природы минерального скелета грунта, его водных и физико-химических свойств, могут изменяться в достаточно широких пределах.


Как правило, значение Тн бывает на несколько десятых долей градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Прекращается процесс пучения глин при температуре минус 4 оС и ниже.



Рис. 2.2. Характер изменения интенсивности пучения f в зависимости от плотности скелета глинистого грунта rd

Влияет на процесс пучения и скорость промерзания. Наиболее опасны значения скорости от 1–2 до 4–5 см/сут.

Техногенные факторы также оказывают влияние на интенсивность пучения грунта. Как уже отмечалось, строительство, и другая деятельность человека приводят к подтоплению территорий. Происходит это не только из-за “мокрых” процессов, утечек из водонесущих коммуникаций, но и вследствие нарушения структуры грунтов, их природного сложения. Многочисленные обратные засыпки, подсыпки из глинистых грунтов на застроенных территориях аккумулируют влагу атмосферных осадков и техногенных вод, постоянно удерживают более высокую влажность, чем природный грунт. Наличие запасов свободной воды в обратных засыпках обеспечивает прочное смерзание их с фундаментами, а возможность капиллярного подтока влаги к фронту промерзания вызывает избыточное льдообразование в промерзающем грунте. Следствием этого является интенсивное проявление сил морозного пучения.



2.3. Классификация промерзающих грунтов по степени морозной пучиноопасности



Перед наступлением зимнего периода полезно иметь ряд показателей, характеризующих состояние грунта, на основании которых можно прогнозировать степень пучиноопасности грунта. Оценка потенциальной возможности грунтов к пучению в случае их промерзания, то есть выяснение степени их пучиноопасности является важной задачей для строительной практики. Довольно широко известна классификация грунтов по степени пучиноопасности, разработанная М.Ф.Киселевым [3, 28]. В этой простой классификации, вошедшей в СНиП II-15-74, разделение грунтов производится в зависимости от глубины залегания уровня подземных вод WL и показателя текучести глинистых грунтов.



В действующих нормах [20, 24] в основу классификации пучиноопасных грунтов положена классификация В.О.Орлова [37–39], количественно связывающая показатели пучения с простейшими физическими характеристиками грунта.

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей с числом пластичности
определяются через показатель дисперсности D. Эти грунты относятся к непучинистым при
, к пучинистым – при
. Изменение показателя D в пределах от 1 до 5
соответствует группе слабопучинистых грунтов. Значение показателя дисперсности D определяется по формуле

,                                                                 (2.5)

где К – коэффициент, равный
; е – коэффициент пористости талого грунта;
– средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле

,

                                                  (2.6)

где р1; р2; рi – содержание отдельных фракций грунта, доли ед.; d1; d2; di – средний диаметр агрегатов (частиц) отдельных фракций, см.

Диаметры отдельных классифицированных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1.4. За расчетный диаметр последней тонкой фракции принимается ее максимальный размер, деленный на коэффициент 1.4.

Классификация по степени пучинистости для глинистых грунтов составлена на основе оценки обобщенного критерия пучения R¦ , значения которого для каждой из пяти групп морозоопасных грунтов изменяются в определенных пределах (табл. 2.1).



Критерий R¦ , функционально зависящий от гидротермических условий промерзания и вида грунта, определяется по формуле

,

                             (2.7)

где w, wp, wL – влажность в слое сезонного промерзания грунта, соответствующая природной, на границах раскатывания и текучести, доли ед.; wcr – расчетная критическая влажность, ниже значения которой в промерзающем глинистом грунте прекращается перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение, доли ед., определяется по графику рис. 2.3; Mt – безразмерный коэффициент, числено равный абсолютному значению среднезимней температуры воздуха для данного района строительства, определяется по СНиП [25].

Таблица 2.1

Классификация промерзающих глинистых грунтов

по степени пучинистоопасности по [22]

Наименование грунта Наименование грунта по степени пучинистоопасности
практически непучинистый

¦ Ј 0,01

слабопу-

чинистый

0,01 < ¦

¦ Ј 0,035

средне-

пучинистый

0,035 < ¦

¦ Ј 0,07

сильно-

пучинистый

0,07 < ¦

¦ Ј 0,12

чрезмерно пучи-

нистый

¦ > 0,12

Значение параметра R¦ Ч 100
Супесь

2 < Ip Ј7

< 0,14 0,14 – 0,49 0,49 – 0,98 0,98 –1,69 >1,69
Cупесь пылеватая

2 < Ip Ј7

< 0,09 0,09 – 0,30 0,30 – 0,60 0,60 –1,03 > 1,03
Суглинок

7 < Ip Ј 17

< 0,10 0,10 – 0,35 0,35 – 0,71 0,71–1,22 > 1,22
Суглинок

пылеватый

7 < Ip Ј13

< 0,08 0,08 – 0,27 0,27– 0,54 0,54 – 0,93 > 0,93
Суглинок

пылеватый

13 < Ip Ј 17

< 0,07 0,07– 0,23 0,23 – 0,46 0,46 – 0,79 > 0,79
Глина Ip > 7

< 0,12 0,12 – 0,43 0,43 – 0,86 0,86 –1,47 > 1,47
На основании таблиц М.Ф.Киселева [5, 28] и В.О.Орлова [37, 38, 39] в ДальНИИС Г.М.Сазоновым и В.И.Федоровым [16, 27] разработана более наглядная классификация песчаных и глинистых грунтов (табл. 2.2 и 2.3), увязывающая уровень подземной воды, типы грунтов, их показатель текучести и возможную величину пучения при различных глубинах (1,5 ... 4,0 м) сезонного промерзания грунтов.


Приведенными таблицами удобно пользоваться на предварительной стадии проектирования фундаментов в пучиноопасных грунтах.



Рис. 2.3 Зависимость критической влажности от числа пластичности и влажности на границе текучести.

Таблица 2.2

Классификация промерзающих грунтов по степени пучинистости

Наименование грунта Наименование грунта по степени пучинистости
практиче-

ски непучи-

нистый

¦ Ј 0,01

слабопу-

чинистый

0,01 < ¦

¦ Ј 0,035

среднепу-

чинистый

0,035 < ¦

¦ Ј 0,07

сильнопу-

чинистый

0,07 < ¦

¦ Ј 0,12

чрезмерно пучи-

нистый

¦ > 0,12

Показатель текучести глинистого грунта IL

IL Ј 0 0 < IL

Ј 0,25 0,25 < IL

< 0,5 0,5 < IL Ј 0,75

IL
> 0,75



Расстояние от уровня подземных вод до расчетной

глубины промерзания грунта z , м


Песок

мелкий

z > 0,5 z Ј

0,5
Песок

пылеватый

z > 1,0 0,5 < z Ј 1,0 z і

0,5
Супесь z > 1,5 1,0 < z Ј 1,5 0,5< zЈ 1,0 0< z Ј 0,5 z Ј

0
Суглинок z > 2,5 1,5 < z Ј 2,5 1,0< zЈ 1,5 0< z Ј 1,0 z Ј

0
Глины z > 3,0 2,0 < z Ј 3,0 1,5<zЈ 2,0 0< z Ј 1,5 z Ј

0
Таблица 2.3

Возможная абсолютная величина пучения грунта при расчетной глубине промерзания по [16]

Наименова-

ние грунта

по степени пучинистости

Глубина промерзания грунта d¦ , м
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Чрезмерно-

пучинистый

h¦ > 16 h¦ > 24 hf  > 30 h¦  > 36 h¦ >42 h¦  >48
Сильно-

пучинистый

10,5<h¦Ј18,0 14,0<h¦Ј24,0 17,5<h¦Ј30,0 14,0<h¦Ј36,0 24,5<h¦ Ј42,0 28,0<h¦Ј48,0
Средне-

пучинистый

5,25<h¦Ј10,5 7,0<h¦Ј14,0 8,75<h¦Ј17,5 7,0< h¦ Ј14,0 12,25<h¦Ј24,5 14,0<h¦Ј28,0
Слабо-

пучинистый

1,5< h¦ Ј5,25 2,0<h¦Ј7,0 2,5< h¦ Ј8,75 3,0< h¦ Ј

7,0
3,5< h¦ Ј12,25 4,0< h¦ Ј14,0
Практически непучинистый

h¦ Ј 1,5 h¦ Ј 2,0 h¦ Ј 2,5 h¦ Ј 3,0 h¦ Ј 3,5 h¦ Ј 4,0

Содержание раздела







Forekc.ru
Рефераты, дипломы, курсовые, выпускные и квалификационные работы, диссертации, учебники, учебные пособия, лекции, методические пособия и рекомендации, программы и курсы обучения, публикации из профильных изданий