Расчетные и конструктивные методы устройства теплоизолированных фундаментов в пучинистых грунтах в условиях глубокого сезонного промерзания

На правах рукописи

МЕЛЬНИКОВ Антон Владимирович

РАСЧЕТНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УСТРОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫХ ФУНДАМЕНТОВ В ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ В УСЛОВИЯХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре геотехники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карлов Владислав Дмитриевич;

доктор технических наук, профессор

Сахаров Игорь Игоревич

Официальные оппоненты: Роман Лидия Тарасовна,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», заведующая лабораторией кафедры геокриологии;

Тугутов Шагдар Самбуевич,

кандидат технических наук, ООО «Тектон», г. СанктПетербург, главный специалист

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-

исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева», г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 14 » мая 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

Тел./факс: 8 (812) 316-58-72

Email: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «____» апреля 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Казаков Юрий Николаевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

На сегодняшний день повышение надежности зданий и сооружений, возводимых с использованием в качестве оснований сезоннопромерзающих пучинистых грунтов, является актуальной задачей современной строительной отрасли. Для районов с глубоким сезонным промерзанием (в Российской Федерации это центральные и южные части Сибири и Дальнего Востока, отдельные области северной части страны) традиционный способ устройства фундаментов на естественном основании, при котором их подошва закладывается ниже глубины промерзания нерационален по двум причинам: во-первых, во многих случаях он не гарантирует устойчивость фундаментов легких зданий против действия касательных сил морозного пучения; во-вторых, с экономической точки зрения, такой способ существенно увеличивает стоимость фундаментов. Современные строительные нормы проектирования СП 22.13330.2011 допускают назначать глубину заложения фундаментов независимо от глубины промерзания пучинистого основания в двух случаях:

- если специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную надежность сооружений;

- если предусмотрены специальные теплотехнические мероприятия, исключающие промерзание грунтов.

В настоящее время самым простым и в то же время надежным способом предохранения фундаментов от негативного воздействия пучинистого при промерзании грунта является теплоизоляция основания, служащая для сохранения накопленной им тепловой энергии. Теплоизоляция фундаментов зданий и сооружений с использованием экструдированного (экструзионного) пенополистирола на сегодняшний день широко применяется для защиты морозоопасных оснований от промерзания. В основном, опыт ее применения накоплен в районах, где нормативная глубина промерзания не превышает 2-2.5 м и среднегодовая температура имеет положительное значение. Районы глубокого сезонного промерзания, зачастую с отрицательной среднегодовой температурой воздуха, обладают рядом особенностей, которые могут вызвать дополнительные сложности при проектировании теплоизолированных фундаментов. К ним относятся: а) длительный период года с отрицательной температурой воздуха (до 200 и более дней); б) значительная глубина промерзания (в суглинках – до 3.5 м, в песчаных грунтах – до 4-5 м; в) возможность образования около сооружений линз многолетнемерзлых грунтов, особенно под неотапливаемыми зданиями и с их северной стороны. Для таких условий эффективность применения теплоизоляции для защиты оснований фундаментов от промерзания и пучения на сегодняшний день является актуальным и малоисследованным вопросом.

В условиях глубокого сезонного промерзания на фундаменты зданий с подвалом или подпольем может действовать весь комплекс сил морозного пучения: а) касательные, вызванные смерзанием грунта с боковыми гранями фундаментов; б) вертикальные нормальные, развивающиеся под подошвами фундаментов; в) горизонтальные нормальные, оказывающие боковое давление на стены подвалов или подполий. Тогда в общем случае задача промерзания и морозного пучения должна рассматриваться в двухмерной постановке. До настоящего времени анализу процесса морозного пучения в неодномерной постановке уделялось мало внимания.

Степень разработанности темы исследования.

Теплоизоляция фундаментов зданий с использованием полимерных материалов, в частности, экструдированного (экструзионного) пенополистирола начала использоваться для защиты фундаментов от негативного воздействия морозного пучения в 70-х годах XX столетия за рубежом, преимущественно в странах Скандинавии. В настоящее время теплоизолированные фундаменты применяются практически во всех экономически развитых странах, где существует необходимость защиты морозоопасных грунтов от промерзания – США, Канада, Япония, Китай, Германия, Россия, Белоруссия, Новая Зеландия и др.

Критическое рассмотрение общемирового опыта проектирования и расчета теплоизолированных фундаментов, как в нашей стране, так и за рубежом, позволило выявить общие правила назначения теплоизоляции, которые не применимы для районов глубокого сезонного промерзания по ряду причин:

1. Область действия практически всех указанных в источниках рекомендаций ограничивается территориями со среднегодовой температурой выше 0°С, в то время как в районах глубокого сезонного промерзания зачастую она имеет отрицательное значение.

2. Проектирование теплоизоляции фундаментов производится из условия полного недопущения промерзания грунта в основании фундаментов. При глубине сезонного промерзания от 2.5 до 4 и более метров соблюсти это требование может быть затруднительно вследствие больших требуемых размеров теплоизоляции, что особенно актуально для неотапливаемых зданий.

3. В приведенной литературе, в основном, рассматриваются малозаглубленные фундаменты, закладываемые на глубинах порядка 0.5-1.0 м. В районах глубокого сезонного промерзания грунт под подошвой фундамента может промерзать даже при глубине заложения 3 м и более.

4. Рекомендации по проектированию и расчету теплоизолированных фундаментов зданий с подвалами и подпольями встречаются в редких случаях. Не учитывается вероятность возникновения горизонтальных нормальных сил пучения грунта на наружные стены подземной части при одностороннем и двухстороннем промерзании.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований сил и деформаций морозного пучения грунтов, выполненных в разное время С.С. Вяловым, М.Н. Гольдштейном, Б.И. Далматовым, В.Д. Карловым, Н.Н. Морарескулом, В.О. Орловым, И.И. Сахаровым, С.С. Ласточкиным, Ш.С. Тугутовым, А.Г. Алексеевым, В.Х. Кимом, Е.И. Хачикянц, В.И. Пусковым, Л.Т. Роман, В.М. Улицким, В.Б. Швецем, Н.А. Цытовичем, D.M. Anderson, E. Penner, Lawrence S. Danyluk, Stephen A. Ketcham и многими другими, показал, что вопрос возникновения и развития касательных и вертикальных нормальных сил морозного пучения на сегодняшний день исследован удовлетворительно. Горизонтальные нормальные воздействия морозного пучения к настоящему времени исследованы недостаточно, закономерности их развития в условиях одностороннего и двухстороннего промерзания не установлены. Отсутствуют также и рациональные расчетные методики их определения при воздействии на боковые поверхности фундаментов. При одностороннем вертикальном промерзании грунта природа возникновения горизонтальных нормальных сил пучения обусловлена анизотропией морозного пучения, которая упоминается в работах лишь некоторых ученых (Г.Н. Полянкин, И.И. Сахаров, С.А. Кудрявцев) и к настоящему времени также исследована недостаточно.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования заключается в установлении основных закономерностей взаимодействия теплоизолированных фундаментов с сезоннопромерзающим пучинистым грунтом в условиях глубокого сезонного промерзания, а также совершенствовании методики расчета и конструкций таких фундаментов.

Объект исследования – теплоизолированные фундаменты в районах глубокого сезонного промерзания.

Предмет исследования – температурный режим и напряженно-деформированное состояние промерзающего грунта в основании теплоизолированных фундаментов.

Задачи исследования:

1) используя данные натурных исследований, провести изучение изменения температурного режима сезоннопромерзающего основания при применении в конструкциях фундаментов теплоизоляции для района глубокого сезонного промерзания;

2) провести лабораторные исследования закономерностей развития сил и деформаций морозного пучения в неодномерной постановке в зависимости от различных факторов, предварительно разработав методику исследований и экспериментальную установку;

3) используя экспериментально полученные закономерности пучения глинистого грунта, выбрать и усовершенствовать расчетную методику оценки напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта в неодномерной постановке;

4) разработать методику расчета теплоизолированных фундаментов по деформациям пучения, а также предложить новую конструкцию теплоизолированного фундамента для районов глубокого сезонного промерзания.

Научная новизна исследования состоит:

1) в обосновании рационального применения теплоизоляции фундаментов зданий с различным тепловым режимом и конструктивными особенностями для районов глубокого сезонного промерзания путем проведения теплотехнических расчетов на основании выполненных ранее натурных наблюдений;

2) в практическом установлении условий возникновения и закономерностей развития вертикальных и горизонтальных нормальных сил и деформаций морозного пучения в неодномерной постановке;

3) в расчетно-теоретическом обосновании параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта при взаимодействии с теплоизолированными фундаментами в условиях одностороннего и двухстороннего промерзания и пучения;

4) в разработке нового типа фундамента для здания с подвалом, не подверженного негативному воздействию каких-либо сил морозного пучения, и подборе его параметров для района глубокого сезонного промерзания.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

– установлены новые, принципиально важные закономерности развития сил и деформаций морозного пучения в неодномерной постановке, имеющие место при промерзании оснований фундаментов в районах глубокого сезонного промерзания, которые могут быть использованы при проектировании фундаментов зданий и сооружений в таких условиях;

– предложены новые методики расчета и проектирования теплоизолированных фундаментов по допустимым деформациям пучения для районов с глубоким сезонным промерзанием, позволяющие рационально подбирать параметры теплоизоляции для зданий с различным тепловым режимом и конструктивными особенностями и способствующие обеспечению устойчивости, прочности и эксплуатационной надежности проектируемых сооружений;

– разработана новая конструкция фундамента для здания с подвалом, защищенная патентом на изобретение № 2440464, позволяющая полностью исключить негативное воздействие промерзающего пучинистого грунта на здания и сооружения.

Результаты исследований по определению сил и деформаций морозного пучения внедрены в учебный процесс на кафедре геотехники СПбГАСУ при проведении лабораторных работ студентами автомобильно-дорожного факультета, а также при проведении лабораторных экспериментов аспирантами и сотрудниками кафедры геотехники.

Методология и методы исследования.

Методы исследования:

1) теоретические исследования методом численного моделирования влияния теплоизоляции на температурные поля сезоннопромерзающего основания зданий с различным тепловым режимом, установленные в результате выполненных ранее натурных наблюдений в Братском районе Иркутской области;

2) экспериментальные лабораторные исследования закономерностей развития вертикальных и горизонтальных нормальных сил и деформаций морозного пучения глинистого грунта в зависимости от температуры промораживания, количества фронтов промерзания и условий миграции влаги;

3) анализ, обобщение полученных экспериментальных результатов и определение путей оценки напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта в неодномерной постановке;

4) разработка новой конструкции теплоизолированного фундамента для районов глубокого сезонного промерзания и получение патента на изобретение.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения, п.5 «Разработка новых методов расчета, высокоэффективных конструкций и способов устройства оснований и фундаментов в особых инженерно-геологических условиях: на слабых, насыпных, просадочных, засоленных, набухающих, закарстованных, вечномерзлых, пучинистых и других грунтах»; п.12 «Разработка научных основ, методов и конструктивных решений защиты территорий, а также конструктивных решений оснований и фундаментов, реализующих функцию защиты зданий и сооружений от опасных природных и техногенных воздействий».

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы обеспечивается:

1) подтверждением результатов теплотехнических расчетов оснований зданий в условиях глубокого сезонного промерзания данными натурных исследований, проведенных сотрудниками кафедры «Основания и фундаменты» Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ) в 60-х годах прошлого столетия;

2) корректной постановкой задач при планировании лабораторных исследований и конструировании экспериментальной установки, а также выбором, обязательной заводской и контрольной поверкой и тарировкой измерительной аппаратуры;

3) комплексным характером экспериментальных исследований закономерностей развития воздействий морозного пучения, отражающим реальные процессы, возникающие в промерзающем основании фундаментов зданий и сооружений в условиях глубокого сезонного промерзания;

4) подтверждением предложенных методик расчета напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта в неодномерной постановке длительными экспериментальными исследованиями (около 30 лабораторных опытов на крупномасштабных моделях), а также экспериментально-теоретическими исследованиями других авторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждались на шести научно-технических конференциях (СПбГАСУ, 2010-2012 гг.; г. Хабаровск, 2010 г.) и получили отражение в восьми научных публикациях, три из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, получен один патент на изобретение (в соавторстве).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего в себя 159 наименований, и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 169 страниц машинописного текста. Работа содержит 64 рисунка и 13 таблиц.

II. ОСНОВНые положения диссертации,

выносимые на защиту

1. Обоснование рационального применения теплоизоляции фундаментов зданий с различным тепловым режимом и конструктивными особенностями для районов глубокого сезонного промерзания путем проведения теплотехнических расчетов на основании выполненных ранее натурных наблюдений.

В целях исследования изменения температурного режима сезоннопромерзающего основания при применении в конструкциях фундаментов теплоизоляции для района глубокого сезонного промерзания был выполнен анализ натурных наблюдений, проведенных сотрудниками кафедры «Основания и фундаменты» Ленинградского инженерно-строительного института (ЛИСИ) В.М. Карповым, Н.Н. Леонтьевым, Б.А. Потаповым и др. под научным руководством Б.И. Далматова в Братском районе Иркутской области в 60-х годах XX столетия. Для анализа выбраны наблюдения на опытных площадках у пяти зданий, различных по тепловому режиму и конструктивным параметрам. На выбранных площадках исключалось влияние солнечной инсоляции на температуру воздуха у поверхности земли, а, следовательно, и на глубину проникновения нулевой изотермы в толщу грунта.

Натурные измерения глубины промерзания были сопоставлены с результатами теплотехнического расчета методом конечных элементов. Для этих целей использовалась программа Termoground, разработанная Кудрявцевым С.А., Парамоновым В.Н., Сахаровым И.И., Шашкиным К.Г. и включенная в программный комплекс FEM Models. Программа успешно применяется при решении задач промерзания-оттаивания и морозного пучения грунта, имеет Сертификат соответствия, результаты расчетов публиковались в ведущих научно-технических изданиях России и за рубежом.

После проведения сопоставления, которое показало достаточную для практических целей степень сходимости рассчитанной глубины промерзания с наблюдениями (рис. 1а), в расчет вводилась теплоизоляция различных геометрических размеров и теплопроводности. В результате проведения численного анализа удалось установить, что для зданий без подвала или с подвалом, в котором в течение зимнего периода поддерживается положительная температура, горизонтальная теплоизоляция фундаментов из экструдированного пенополистирола, уложенная у поверхности грунта вдоль наружной стены (рис. 1б), является эффективным мероприятием по защите оснований от промерзания. Полученные зависимости глубины промерзания около зданий от параметров теплоизоляции показали, что благодаря утеплению фундаментов таких объектов удается полностью исключить или существенно снизить промерзание по контакту фундамент/грунт (рис. 1в).

Рис. 1. Устройство теплоизоляции фундаментов периодически отапливаемого в зиму 1963-1964 гг. административно-хозяйственного здания без подвала: а – максимальное положение фронта промерзания без устройства теплоизоляции по результатам наблюдений и численных расчетов в программе Termoground; б – способ размещения горизонтальной теплоизоляции у наружной стены здания: Dh и h – ширина и толщина горизонтальной теплоизоляции; в – зависимость глубины промерзания у фундамента наружной стены от параметров горизонтальной теплоизоляции: сплошная линия – ширина теплоизоляции 1 м; штрихпунктирная линия – то же 1.5 м; пунктирная линия – то же 2 м

Для неотапливаемых бесподвальных зданий путем применения теплоизоляции затруднительно полностью исключить промерзание грунта у фундамента, однако, как показали численные расчеты, при условии дополнительного утепления полов внутренних помещений его удается существенно уменьшить. Кроме того, в результате устройства теплоизоляции снижается риск образования перелетков – неоттаивающих линз мерзлого грунта – с затененных сторон неотапливаемых зданий.

Для зданий с неотапливаемыми подвалами применение наружной горизонтальной теплоизоляции может иметь обратный результат. В результате выполненного численного анализа установлено, что в этом случае не только не достигается эффект существенного уменьшения глубины промерзания, но и могут быть созданы условия для образования у здания перелетков. Расчет производился в допущении, что, несмотря на утепление стен подвала, в подвале зимой все же устанавливалась отрицательная температура по тем или иным причинам (через незакрытые во время морозов слуховые окна, наружные лазы и пр.). В этом случае, даже при значительной толщине вертикального утепления (до 30 см) стены подвала, позволяющей полностью исключить промерзание с его стороны, и существенном вылете горизонтальной изоляции, в связи с двухсторонним охлаждением грунта у наружных стен фронт промерзания проникает в этот слой, двигаясь под горизонтальным утеплителем. В летний период горизонтальная и вертикальная теплоизоляция препятствует проникновению тепла с поверхности земли и со стороны здания.

Для таких объектов следует, в первую очередь, тщательно утеплять на зиму подвал, чтобы охлаждение грунта у фундамента происходило только по вертикали. При исключении промерзания со стороны подвала устройство горизонтальной теплоизоляции приводит к желательному результату (рис. 2). Однако, как и в случае с неотапливаемыми бесподвальными зданиями, целиком компенсировать промерзание у фундамента сложно. Чтобы полностью исключить для таких объектов возможное негативное воздействие морозоопасного грунта на здание, следует совместно с теплоизоляцией применять дополнительные конструктивные и компенсирующие мероприятия.

Рис. 2. Зависимость глубины промерзания у фундамента наружной стены административно-хозяйственного здания с неотапливаемым подвалом от параметров горизонтальной теплоизоляции (подвала утеплен) при теплопроводности материала утеплителя 0.04 Вт/(м•°С)

2. Практическое установление условий возникновения и закономерностей развития вертикальных и горизонтальных нормальных сил и деформаций морозного пучения в неодномерной постановке.

Экспериментальное изучение закономерностей развития сил и деформаций морозного пучения производилось в зависимости от температуры промораживания (скорости промерзания), количества фронтов промерзания (один или два), условий миграции влаги (закрытая и открытая система). Для этих целей проведено несколько серий лабораторных экспериментов (около 30 опытов). Местом проведения исследований выбрана лаборатория холода кафедры Геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ). Специально для осуществления экспериментов была восстановлена климатическая камера и холодильная установка, не функционировавшие на протяжении последних 15 лет.

Для измерения в лабораторных условиях горизонтальных и вертикальных нормальных сил и деформаций морозного пучения крупномасштабных образцов глинистого грунта при одностороннем и двухстороннем промерзании автором была сконструирована экспериментальная установка, показанная на рис. 3.

Рис. 3. а – схема лабораторной установки при измерении давлений морозного пучения; б – общий вид лабораторной установки на стенде при измерении давлений морозного пучения (верхняя теплоизоляция не показана); в – то же при измерении деформаций морозного пучения (водяные электронагреватели и верхняя теплоизоляция не показаны) На рис.: 1 – лоток из органического стекла; 2 – утеплитель пенопласт; 2а – утеплитель минеральная вата; 3 – образец исследуемого грунта; 4 – сосуд из органического стекла, наполняемый водой; 5 – песчаный фильтр; 6 – измерительные датчики (тензодатчик или преобразователь линейного перемещения); 7 – датчики температуры; 8 – жесткий штамп из оргстекла; 9 – электронагреватели; 10 – крышка; 11 – электронагреватель с малым тепловыделением; 12 – индикаторы перемещения часового типа; АЦП – аналого-цифровой преобразователь

При проведении лабораторных экспериментов использовался глинистый грунт нарушенной структуры двух видов: глина легкая пылеватая мягкопластичной консистенции и суглинок легкий пылеватый полутвердой консистенции.

В результате проведенных лабораторных опытов с образцами пылеватой глины было установлено, что при одностороннем вертикальном промерзании и свободном перемещении верхней границы грунта развивалось существенное горизонтальное давление пучения, действующее на боковые стенки лотка (~30...35 кПа). Это свидетельствует о проявлении мало изученного эффекта анизотропии пучения, который в соответствии с работами Г.Н. Полянкина, И.И. Сахарова, С.А. Кудрявцева равен отношению относительной горизонтальной деформации морозного пучения к вертикальной. Для данного вида грунта и условий промораживания а=0.15-0.2.

Установлено, что в условиях закрытой системы в связи с отсутствием подсоса дополнительной влаги извне при полном промерзании образцов конечные значения вертикальных и горизонтальных давлений морозного пучения в замкнутом объеме существенным образом не зависят от температуры промораживания и количества фронтов промерзания. Однако с увеличением скорости промерзания значительно возрастает интенсивность развития давлений пучения по линейному закону.

В условиях открытой системы пучение пылеватого суглинка в замкнутом объеме сопровождалось влиянием температуры промораживания также и на конечные величины вертикальных и горизонтальных давлений пучения. С уменьшением скорости промерзания горизонтальные и вертикальные давления пучения возрастали. В интервале температур от -15 до -7С конечные значения давлений увеличились ~ в 1.3 раза (рис. 4). При одностороннем промерзании вертикальное давление несколько выше, чем при двухстороннем; горизонтальное же давление, наоборот, больше при наличии двух фронтов промерзания. Характер интенсивности развития давлений морозного пучения суглинка от температуры в условиях открытой системы аналогичен зависимостям, полученным для пылеватой глины при закрытой системе.

Рис. 4. Графики зависимости конечных значений вертикальных и горизонтальных давлений морозного пучения пылеватого суглинка от температуры промораживания в условиях открытой системы

Для пылеватого суглинка в условиях допущения деформаций в одном направлении (по вертикали) или двух направлениях (по вертикали и горизонтали) удалось установить следующие закономерности, которые иллюстрируются рис. 5.

1. В условиях открытой системы температура промораживания оказывала большое влияние на конечные значения давлений и деформаций пучения, которые возрастали при замедлении скорости промерзания.

2. В условиях открытой системы в большинстве опытов вертикальные деформации пучения при одностороннем промерзании превышали эти значения при двухстороннем промерзании; горизонтальные же силы и деформации, напротив, возрастали при наличии двух фронтов промерзания.

Рис. 5. Исследование пучения пылеватого суглинка при допущении деформирования: а – графики развития вертикальных деформаций и горизонтальных давлений морозного пучения; б – графики развития вертикальных и горизонтальных деформаций морозного пучения. На графиках толстой линией показаны зависимости в условиях открытой системы, тонкой – закрытой

3. Условия миграции влаги играли значительную роль в формировании как вертикальных деформаций, так и горизонтальных нормальных сил и деформаций морозного пучения. Во всех рассмотренных примерах наибольших значений достигали воздействия пучения в условиях открытой системы.

4. В условиях закрытой системы и допущения деформаций внутренний миграционный поток при двух фронтах промерзания разделялся на две части, что приводило к значительному уменьшению вертикального пучения и возрастанию горизонтального по сравнению с односторонним промерзанием. В условиях открытой системы горизонтальное воздействие пучения при этом также возрастало, но вертикальное снижалось не столь существенно, как при закрытой системе, что, вероятно, объясняется возрастанием внешнего суммарного миграционного потока.

5. Коэффициент анизотропии морозного пучения в рассмотренных опытах составлял:

- в условиях закрытой системы а=00.05;

- в условиях открытой системы а=0.100.15.

3. Расчетно-теоретическое обоснование параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта при взаимодействии с теплоизолированными фундаментами в условиях одностороннего и двухстороннего промерзания и пучения;

Аналитический метод прогноза сил и деформаций морозного пучения грунта.

Для определения сил и деформаций морозного пучения грунта в неодномерной постановке на основании выполненных экспериментальных исследований произведена адаптация известной аналитической методики Карлова В.Д., изначально предназначенной для условий одностороннего промерзания и пучения.

В соответствии с методикой В.Д. Карлова, в случае, если основание воспринимает внешнее давление от сооружения, МПа, общее аналитическое выражение для определения относительной деформации морозного пучения поверхности глинистого грунта без возможности бокового расширения, перпендикулярной фронту промерзания при одностороннем его продвижении в любой плоскости, имеет вид:

(1)

где wv=w(d/w)– объемная влажность глинистого грунта, д.е.;,, – экспериментально установленные параметры пучинистых свойств, зависящие от вида глинистого грунта, его числа пластичности и предела текучести; T – поправочный коэффициент, учитывающий снижение интенсивности пучения с увеличением скорости промерзания (зафиксировано также в наших опытах), для районов с нормативной глубиной промерзания dfn3 м равен 1; w – весовая влажность глинистого грунта до промерзания, д.е.; d – плотность сухого грунта, кН/м3; w – плотность воды, кН/м3; – коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения грунта.

Для условий незамкнутого объема зависимость уменьшения величины пучения от внешнего давления принимается линейной. Тогда максимальную величину удельного нормального давления морозного пучения глинистого грунта, действующего на заглубленную конструкцию перпендикулярно фронту промерзания без возможности ее податливости, можно определить по формуле Карлова В.Д.:

, (2)

где все обозначения те же, что и в формуле (1).

В условиях одностороннего вертикального промерзания при возможности бокового расширения относительная деформация морозного пучения свободной боковой поверхности грунта количественно выражается через коэффициент анизотропии пучения (коэффициент бокового пучения) а, получаемый экспериментально. Формула для ее определения имеет вид:

. (3)

Из результатов проведенных лабораторных опытов следует, что в условиях закрытой системы при отсутствии подсоса дополнительной влаги извне при возможности бокового расширения и без него в грунте замерзает одно и то же количество воды. Тогда для условий одностороннего промерзания можно записать следующее выражение:

, (4)

где – относительная деформация морозного пучения без возможности бокового расширения, перпендикулярная фронту промерзания; и – то же при возможности бокового расширения соответственно перпендикулярно и параллельно фронту промерзания.

Подставляя в это выражение зависимость (3), получим:

(5)

и

. (5а)

Для определения максимального бокового давления морозного пучения в условиях одностороннего промерзания по аналогии с (3) запишем:

, (6)

где все величины имеют тот же смысл, что и в выражении (3).

В результате лабораторных исследований было установлено, что в условиях закрытой системы при двухстороннем промерзании вертикальные и боковые деформации пучения сопоставимы по значению. Тогда, рассматривая двухстороннее и полное промерзание глинистого грунта с одинаковой скоростью перемещения фронтов, в первом приближении можно записать:

, (7)

где и - соответственно абсолютные вертикальная и горизонтальная деформации пучения при возможности верхнего и бокового расширения; – абсолютная деформация, перпендикулярная фронту промерзания, при пучении без возможности бокового расширения.

Для условий открытой системы при одностороннем промерзании будут справедливы выражения (3)-(6). При наличии же двух фронтов промерзания и возможности бокового расширения общий миграционный поток влаги в образец извне усиливается, что приводит к увеличению суммарной деформации пучения по сравнению с односторонним процессом. Для этого случая выражение (7) может быть записано в следующем виде:

, (8)

где – безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение миграционного потока влаги, в наших экспериментах =1.4.

Зависимости (1)-(8) позволяют аналитически описать напряженно-деформированное состояние промерзающего пучинистого грунта в неодномерной постановке при любых условиях промерзания и пучения.

Численная реализация оценки напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта.

Для определения сил и деформаций морозного пучения грунта численным методом выбрана программа Termoground программного комплекса FEM Models. Программа состоит из двух блоков: теплофизического и физико-механического. В первой части решается задача процесса промерзания-оттаивания с помощью уравнения теплопроводности. Здесь же устанавливается влажность мерзлого грунта за счет воды, первоначально находящейся в порах, а также мигрировавшей из подстилающих талых слоев. На основании распределения суммарной влажности на каждый период времени во второй части программы устанавливаются величины деформаций и напряжений морозного пучения грунта. Благодаря тому, что программа Termoground способна решать задачу морозного пучения на основании реального распределения температур и влажностей в каждом конечном элементе, повышается точность вычисления параметров напряженно-деформированного состояния пучащегося грунта во всем спектре температур от начала замерзания до прекращения пучения. Этот факт является безусловным достоинством численного метода, поскольку аналитически весьма затруднительно установить температурно-влажностные поля (а, следовательно, и количество незамерзшей воды) даже в одномерном грунтовом пространстве, не говоря уже о двух- и трехмерном.

Достоверность получаемых с помощью программы Termoground результатов неоднократно подтверждалась путем моделирования реально имевших место в строительной практике ситуаций и сопоставления результатов расчета с наблюдениями, в том числе в трехмерном грунтовом пространстве совместно с надземным сооружением. В задачах преимущественно рассматривались условия одностороннего пучения. До сегодняшнего дня возможности программы по реализации неодномерного пучения были недостаточно протестированы. Правомерность использования выбранной программы для описания двухстороннего пучения грунта подтверждалась с учетом применения экспериментального коэффициента анизотропии морозного пучения.

В диссертации выполнено процентное сравнение расчетных воздействий пучения, полученных по обеим методикам. За 100% приняты измеренные в экспериментах значения. Из сравнения следует, что обе рассмотренные расчетные методики с достаточной для практических целей степенью точности способны прогнозировать воздействия пучения глинистого грунта в двухмерной постановке. Большая часть результатов составляет от 70 до 130% от измеренных величин, что позволяет их использовать для прогноза параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта при взаимодействии с фундаментами сооружений в неодномерной постановке.

Как было показано выше, для районов глубокого сезонного промерзания при заложении подошвы фундаментов в сезонномерзлом слое зачастую затруднительно полностью сохранить грунт в основании здания в талом состоянии за счет применения теплоизоляции. Следовательно, универсальный подход по назначению параметров теплоизоляции вне зависимости от грунтовых условий здесь будет нерационален. Поэтому оптимальным в таком случае является расчет теплоизолированных фундаментов по допустимым деформациям пучения. Предельные деформации фундаментов, возводимых на промерзающих пучинистых грунтах, установлены нормативными документами (например, «Рекомендациями по проектированию и расчету малозаглубленных фун-даментов на пучинистых грунтах», НИИОСП, 1985 г.)

При расчете и проектировании теплоизолированных фундаментов реко-мендуется соблюдать следующий алгоритм действий.

1. Определение глубины заложения фундамента, расчетного сопротивления грунта и размеров подошвы. Глубина заложения теплоизолированного фундамента может быть минимальной. Она определяется только конструктивными соображениями и инженерно-геологическими условиями площадки строительства. При определении расчетного сопротивления основания рекомендуется для сезонно промерзающего слоя использовать прочностные характеристики грунта в оттаивающем состоянии.

2. Расчет осадки фундамента. Производится теми же способами, что и для фундаментов на талых грунтах.

3. Определение глубины промерзания под подошвой фундамента без устройства теплоизоляции. Производится теплотехническим расчетом с использованием численных методов.

4. Определение воздействий морозного пучения на фундаменты здания без устройства теплоизоляции. Используются аналитические формулы (1)-(8) или программа Termoground.

Для получения наиболее достоверных результатов при вычислении воздействий морозного пучения на конструкции здания расчеты следует проводить для системы «здание-основание», т.е. с учетом пространственной совместной работы всех конструкций сооружения. Такой расчет наиболее рационально выполнять численными методами с применением трехмерного моделирования. Поэтому в этом случае рекомендуется применять программу Termoground, которая позволяет рассматривать процесс промерзания и пучения грунта в основании не отдельного фундамента, а целого здания, что повышает достоверность расчетов.

5. Оценка полученных воздействий и предварительное назначение параметров теплоизоляции. Производится из условия непревышения допустимых деформаций пучения, а также проверки устойчивости и деформируемости стен заглубленной части сооружения на воздействие горизонтального давления морозного пучения.

6. Определение глубины промерзания под подошвой фундамента с учетом устройства теплоизоляции. См. п. 3.

7. Определение воздействий морозного пучения на фундаменты здания с учетом устройства теплоизоляции. См. п. 4.

8. Повторная оценка полученных воздействий. См. п. 5.

С целью демонстрации предложенной методики расчета теплоизолированных фундаментов по деформациям пучения в диссертации выполнены и сведены в таблицу определения параметров теплоизоляции ленточных фундаментов зданий различной этажности, с подвалом и без для климатических условий Братского района Иркутской области.

Для дополнительной оценки целесообразности применения теплоизолированных фундаментов в районах глубокого сезонного промерзания было произведено экономическое сравнение устройства фундаментов отапливаемого здания без подвала с теплоизоляцией пола и здания с неотапливаемым полузаглубленным подпольем для двух вариантов – теплоизолированный фундамент и нормально заглубленный фундамент без теплоизоляции. На основании произведенного сметного расчета для фундамента бесподвального здания сметная стоимость теплоизолированного варианта была в 3.5 раза меньше, чем нормально заглубленного, а для здания с подвалом ~ в 1.8 раза.

4. Разработка нового типа фундамента для здания с подвалом, не подверженного негативному воздействию каких-либо сил морозного пучения, и подбор его параметров для района глубокого сезонного промерзания.

В целях совершенствования конструкций фундаментов на пучинистых грунтах для районов глубокого сезонного промерзания предлагается новый тип фундамента для здания с подвалом, не подверженный негативному воздействию каких-либо сил морозного пучения. Разработанная конструкция, представленная на рис. 6, защищена патентом на изобретение № 2440464.

Противопучинный фундамент здания с подвалом включает заглубленную часть, отнесенную на некоторое расстояние от внешних границ здания к центру и выполненную в виде железобетонных стен 1 и фундаментной плиты 2. Наружные стены надземной части 3 установлены на консоли надподвального железобетонного перекрытия 4, которое полностью передает приходящую нагрузку на стены подвала 1. Под консолями надподвального перекрытия 4 и наружной отмосткой 5 для недопущения возникновения значительных вертикальных нормальных сил морозного пучения выполнена подушка-компенсатор 6 из непучинистого материала, обладающего значительными упругими свойствами, предназначенная для уменьшения давления морозного пучения на консоли перекрытия. В качестве материала, способного упруго деформироваться под нагрузкой, применяется совокупность гранул термо-морозо-кислото-щелачестойкой резины размером 5-25 мм, промежутки между которыми заполнены крупным песком. Толщина подушки определяется прогнозируемой величиной подъема поверхности грунта в результате морозного пучения и устанавливается расчетом из условия необходимой степени компенсации деформаций промерзающего основания. Избыточная вода из подушки-компенсатора отводится в дренажную систему по пластмассовой дренажной трубе 7. Для сокращения теплопотерь здания стены подвала и консоли снаружи могут быть утеплены слоем экструдированного пенополистирола 8. При промерзании пучинистого грунта основания 10 предлагаемая конструкция противопучинного фундамента препятствует проникновению фронта промерзания 11 к конструкциям подвала. При необходимости вдоль наружной стены под отмосткой на поверхности подушки из непучинистого материала размещается полоса дополнительной теплоизоляции из экструдированного пенополистирола 9, уменьшающая глубину промерзания грунта в основании здания. Ширина, толщина и теплофизические параметры теплоизоляции подбираются по теплотехническому расчету из условия сохранения в талом состоянии грунта у конструкций подвала. Тем самым не допускается дополнительное механическое воздействие на конструкции подвала.

Рис. 6. Противопучинный фундамент здания с подвалом. а – общий вид фундамента здания с подвалом; б – фрагмент опорного сечения фундамента

В зависимости от условий строительства подлежат определению следующие параметры конструкции предложенного фундамента:

- вылет консоли надподвального перекрытия;

- толщина подушки-компенсатора;

- размеры горизонтальной теплоизоляции;

- толщина вертикальной теплоизоляции.

Вылет консоли надподвального перекрытия зависит от климатических условий района строительства и температурного режима здания. Толщина вертикальной теплоизоляции назначается в зависимости от требуемой степени сокращения теплопотерь отапливаемого подвала или подполья. Параметры толщины подушки-компенсатора и необходимые размеры горизонтальной теплоизоляции для зданий с различным тепловым режимом и разной этажности в зависимости от степени пучинистости грунта основания приведены в табл. 1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании теоретических исследований методом математического моделирования установлено, что в районах глубокого сезонного промерзания для зданий с различной конструкцией подземной части, в которых в течение зимнего периода поддерживается положительная температура, горизонтальная теплоизоляция фундаментов из экструдированного пенополистирола является эффективным мероприятием по защите морозоопасных оснований от промерзания. Установлены зависимости глубины промерзания около зданий от параметров теплоизоляции, показывающие, что благодаря утеплению фундаментов таких объектов удается полностью исключить или существенно снизить промерзание по контакту фундамент/грунт. Для неотапливаемых бесподвальных зданий снижается риск образования перелетков с затененных сторон. Для зданий с неотапливаемыми подвалами, в которых зимой устанавливается отрицательная температура, применение наружной горизонтальной теплоизоляции имеет положительный результат только в случае тщательного утеплении контура подземной части.

2. По результатам лабораторных исследований определены закономерности развития сил и деформаций морозного пучения в неодномерной постановке в зависимости от температуры промораживания, количества фронтов промерзания, условий миграции влаги. Существенную роль во влиянии рассматриваемых факторов на процесс пучения оказывает степень податливости системы. При возможности свободного перемещения хотя бы одной поверхности образца все учитываемые факторы существенным образом влияли на оцениваемые параметры вследствие изменения интенсивности и направления перемещения влаги, как изначально содержащейся в образце, так и мигрировавшей извне. Во всех рассмотренных случаях интенсивность развития параметров пучения возрастала с увеличением скорости и числа фронтов промерзания. Полученные в экспериментах зависимости позволили в дальнейшем разработать методику расчета параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта.

3. Для определения сил и деформаций морозного пучения грунта в неодномерной постановке на основании выполненных нами экспериментальных исследований произведена адаптация известной аналитической методики Карлова В.Д., изначально предназначенной для условий одностороннего промерзания и пучения. Альтернативой этому способу может служить численный расчет с использованием метода конечных элементов в программе Termoground. При этом напряженно-деформированное состояние промораживаемого основания в условиях одностороннего и всестороннего промерзания устанавливается с учетом анизотропии деформаций морозного пучения, характеризуемой экспериментально определяемым коэффициентом анизотропии пучения а.

4. Предложена методика расчета теплоизолированных фундаментов по допустимым деформациям пучения с учетом давления под их подошвой от вышележащих конструкций. Показано, что при проектировании теплоизолированных фундаментов зданий с подвалом необходимо учитывать дополнительное горизонтальное давление грунта, промерзающего у его боковой поверхности и обладающего свойством анизотропии пучения. Доказана экономическая целесообразность применения теплоизолированных фундаментов в районах глубокого сезонного промерзания.

5. Предложен новый тип фундамента для здания с подвалом, защищенный патентом на изобретение, не подверженный негативному воздействию каких-либо сил морозного пучения. Для района глубокого сезонного промерзания произведен подбор параметров этого фундамента в зависимости от морозоопасности грунтовых условий, теплового режима здания и этажности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мельников, А.В. Лабораторные исследования вертикальных и горизонтальных нормальных сил и деформаций морозного пучения глинистого грунта / А.В. Мельников // Вестник гражданских инженеров. – СПб., 2012. – №2(31). – С. 126-131.
2. Мельников, А.В. Влияние теплоизоляции фундаментов на изменение температурного режима сезонно промерзающего основания в районе глубокого сезонного промерзания / А.В. Мельников // Вестник гражданских инженеров. – СПб., 2012. – №6(35). – С.77-83.
3. Мельников, А.В. Определение параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта в неодномерной постановке / А.В. Мельников, И.И. Сахаров // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». – 2013. – №1(45); URL: http://www.science-education.ru/107-8531.

В других изданиях:

4. Мельников, А.В. Оценка теплового взаимодействия промерзающего грунта с малозаглубленными фундаментами зданий с подвалом в условиях глубокого сезонного промерзания / А.В. Мельников // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: труды Всероссийской научно-практической конференции. – В 6 т. Т. 2. – Хабаровск, 2010. – С.220-225.
5. Мельников, А.В. Оценка горизонтального давления морозного пучения грунта на ограждение котлована / А.В. Мельников, В.А. Васенин // Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции: сборник трудов научно-технической конференции. – СПб.: СПбГАСУ, 2010. – С.376-381.
6. Мельников, А.В. Использование программного модуля «Termoground» для оценки теплового взаимодействия промерзающего грунта с малозаглубленными фундаментами зданий с подвалом в условиях глубокого сезонного промерзания / А.В. Мельников // Актуальные проблемы современного строительства: сб. тр. 63-й Междунар. научно-технической конф. молодых учёных. – В 3 ч. Ч. II. – СПб.: СПбГАСУ, 2010. – С. 14-17.
7. Мельников, А.В. Экспериментальное изучение сил и деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях / А.В. Мельников, И.И. Сахаров // Актуальные проблемы науки о земле: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов. – СПб.: СПбГАСУ, 2012. – С. 86-90.

Патент на изобретение:

8. Пат. 2440464 Российская Федерация. МПК E02D 27/35 (2006.01). Противопучинный фундамент здания с подвалом / В.Д. Карлов, А.В. Мельников; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет». №2010127686/03; заявл. 05.07.2010; опубл. 20.01.2012 // Бюл. – 2012. – №2. – 7с.