Природа и закономерности морозного (криогенного) пучения грунтов
При изложении теоретических вопросов о морозном пучении грунтов использовались монографии, сборники трудов [1–8, 9–16] и личные наблюдения авторов [17, 18, 48]. Основные определения и расчетные характеристики даны в соответствии с действующими нормативными документами [20–26].
2.1. Основные понятия и определения
Ненагруженные и малонагруженные (нагрузки на фундаменты меньше сил пучения) фундаменты сооружений, построенные на пучинистых грунтах, довольно часто подвергаются выпучиванию при промерзании окружающих их грунтов в зимнее время. Фундаменты перемещаются, как правило, вверх совместно с надфундаментными строениями, результатом этого является деформация системы “основание – фундамент – надфундаментные конструкции”. При этом деформации сооружений повторяются из года в год, носят циклический характер и накапливаются (увеличиваются) со временем.
Выталкивающими силами могут быть:
 |
касательные силы пучения F¦h, возникающие от вертикальной подвижки, примерзшего к граням (боковой поверхности) фундаментов пучащегося грунта; | |
|
нормальные силы пучения Р¦h, действующие перпендикулярно поверхности фундамента, возникающие при замерзании пучинистого грунта под его подошвой. |
Наиболее опасно совместное действие на фундаменты указанных сил.
Иногда наблюдаются горизонтальные деформации фундаментов и крены сооружений, разрушения подвальных стен и других ограждающих конструкций от горизонтального давления, вызванного действием нормальных к боковым граням фундаментов сил пучения грунтов Fh.
Под морозным (криогенным) пучением понимают внутриобъемное деформирование промерзающих влажных грунтов, приводящее к увеличению их объема за счет миграции влаги к фронту промерзания и избыточного льдообразования. Это вызывает неравномерное поднятие дневной поверхности грунтов при их промерзании и опускание при оттаивании, приводит к возникновению напряжений в грунте, в результате чего появляются повреждения зданий и сооружений.
Все грунты, кроме скальных [22], при определенных природных и техногенных условиях могут быть пучинистыми (морозоопасными) или непучинистыми (неморозоопасными).
Пучение происходит при следующих условиях: промерзание, обводнение, наличие пылевато-глинистых частиц или свободного выхода (отжатия) воды из грунта. При отсутствии хотя бы одного из условий пучение невозможно.
Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод. При водонасыщении в условиях замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых.
Основными характеристиками деформируемости промерзающих пучинистых грунтов являются следующие показатели.
1. Высота поднятия (пучения) поверхности слоя промерзающего грунта в данной точке h¦ .
2. Интенсивность пучения ¦ , которая представляет собой дифференцированную по глубине промерзания d¦ алгебраическую сумму деформаций грунта за счет перемещения его вверх h¦о и одновременной его усадки вниз (-Sy) вследствие уплотнения немерзлого грунта, определяется по формуле
(2.1)
где
Интенсивность пучения – важнейшая характеристика, которая в теоретических и прикладных разработках вопросов пучения грунтов играет ключевую роль [5].
3. Коэффициент пучения
и определяется по выражению
(2.3)
где d¦ – мощность промерзающего слоя грунта, м.
4. Скорость пучения v¦ , см/сут – это приращение объема промерзающего грунта в единицу времени, числено равное отношению величины пучения i-го слоя грунта hi ко времени его промерзания ti, то есть
(2.4)
Процесс пучения протекает не только у границы промерзания грунта, но и в некотором приграничном слое мерзлого грунта – в зоне промерзания (рис. 2.1), где происходит фазовый переход воды в лед.
Рис. 2.1 Схема промерзания грунта: 1 - замерзший грунт; 2 - зона промерзания; 3 - немерзлый грунт; 4 - миграция капиллярной воды; 5 - подземная вода.
Пучение, как правило, – неравномерный процесс. Объясняется это следующими причинами:
– неоднородностью состава и сложения грунтов;
– неравномерным увлажнением грунтов, их различной обводняемостью поверхностными или подземными водами;
– неравномерностью промерзания грунтов (изменением теплофизических свойств, различным распределением теплоизоляционных покрытий, неравномерным облучением, обдуваемостью и т.п.).
При избыточном и неравномерном льдообразовании формируются сложные сетчатые криогенные текстуры, что вызывает распученность грунта. При последующем оттаивании в таких грунтах протекает обратный процесс, сопровождающийся их осадкой, раз-уплотнением и снижением несущей способности. Как и морозное пучение осадки при оттаивании крайне неравномерны.
Необходимо помнить, что морозное пучение резко изменяет физико-механические свойства пылевато-глинистых грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны интенсивности пучения. При оттаивании распученных грунтов повышается их водопроницаемость и сжимаемость, значительно снижается несущая способность, что приводит к осадке сооружений, а на железных и автомобильных дорогах – к весенним просадкам земляного полотна.Процесс восстановления механических свойств протекает длительно и зависит от характера уплотнения грунта и условий дренирования. В грунтах с сегрегационным (неравномерным) льдообразованием полностью механические свойства не восстанавливаются.
