Определение горизонтального давления на подпорные стены при сезонном промерзании – оттаивании грунта
На правах рукописи
АЛЕКСЕЕВ АНДРЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
НА ПОДПОРНЫЕ СТЕНЫ
ПРИ СЕЗОННОМ ПРОМЕРЗАНИИ – ОТТАИВАНИИ ГРУНТА
Специальность 25.00.08
“Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение”
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2006 г.
Работа выполнена в Научно-исследовательском, проектно-изыскательском и конструкторско-технологическом институте оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова
Научный руководитель:
Кандидат технических наук Бондаренко Г.И.
- Официальные оппоненты:
- доктор геолого-минералогических наук, профессор Роман Л.Т.
- кандидат технических наук Каширский В.И.
Ведущая организация: ГУМО УАДМО «Мосавтодор»
Защита диссертации состоится "26" декабря 2006 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета К 303.011.01 при ОАО «Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве» по адресу: 105187, г. Москва, Окружной проезд, 18. Тел. (495) 366-31-89
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИС
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.
Автореферат разослан "__"_________ 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.г-м.н О.П. Павлова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При строительстве подпорных стен в районах распространения сезоннопромерзающих пучинистых грунтов встает вопрос учета усилий, возникающих при промерзании – оттаивании грунтов. Как показывает опыт строительства подземных сооружений, невыполнение специальных мероприятий: замена пучинистого грунта, применение теплоизоляции и др., исключающих или снижающих усилия от промерзания – оттаивания пучинистых грунтов, приводит к возникновению недопустимых деформаций, приводящих к частичному или полному разрушению сооружений.
Вопросу строительства на пучинистых грунтах уделялось большое внимание, но в основном исследователи изучали вертикальные силы морозного пучения и деформации в этом направлении применительно к фундаментам мелкого заложения. Горизонтальное давление, действующее на стены подземных сооружений при промерзании – оттаивании грунтов, остается мало изученным. Не известны количественные величины и не разработаны методы учета этого давления, что препятствует принятию экономичных проектных решений. С другой стороны, недооценка давления, возникающего при промерзании – оттаивании пучинистого грунта, ведет к повреждению стен подземных сооружений и требует дополнительных затрат на их восстановление.
Таким образом, оценка величины и исследование закономерностей развития горизонтального давления, действующего на стены подземных сооружений (подпорных стен) в результате промерзания – оттаивания грунта, а также разработка методики его определения и учета является одним из мало исследованных вопросов и требует дальнейшего изучения.
Целью диссертационной работы являлось комплексное исследование температурного и напряженно-деформируемого состояния грунта при промерзании - оттаивании и разработка методики расчета горизонтального давления за подпорными стенами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработать методику и экспериментальные установки, позволяющие в полевых и лабораторных условиях исследовать горизонтальное давление, возникающее при сезонном промерзании и последующем оттаивании грунтов за подпорными стенами.
- Провести экспериментальное изучение процесса промерзания – оттаивания грунтов за подпорными стенами в натурных условиях с измерением величины горизонтального давления и температуры грунта, деформаций стен и массива грунта за ними.
- Провести лабораторные исследования для получения дополнительных сведений об особенностях развития давления и деформации морозного пучения, осадки оттаивания, количественной оценки их значений, в зависимости от влажности, плотности, условий промораживания (открытая система – с подтоком воды и закрытая система – без подтока воды) для грунта опытного участка.
- С использованием полученных фактических данных разработать методику расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорные стены.
- Оценить влияние давления оттаивающего грунта на подпорные стены.
Методика исследований включала: полевые замеры горизонтального давления и температуры воздуха и грунта, деформаций подпорных стен и грунта за ними на организованном опытном участке открытого транспортного тоннеля в г. Сергиев – Посад; лабораторные измерения давления и деформации морозного пучения, а также осадки оттаивания грунта, в зависимости от плотности, влажности, условий промораживания применительно к подпорным стенам; анализ, обобщение полученных результатов и разработка методики расчета горизонтального давления морозного пучения и давления оттаивающего грунта.
Достоверность результатов обеспечена трехлетними замерами, проведенными в полевых условиях и длительными лабораторными экспериментами (более 100 опытов) с использованием известных и многократно апробируемых другими авторами измерительных приборов и методик. Экспериментально установленные зависимости согласуются с данными расчетов и не противоречат экспериментально – теоретическим исследованиям других авторов, работающих по смежным специальностям.
Защищаемые положения.
- Методика и результаты полевых исследований температурного режима грунта за подпорными стенами и горизонтального давления, действующего на подпорные стены при промерзании – оттаивании грунта.
- Методика лабораторных измерений давления и деформации морозного пучения, а также осадки оттаивающего грунта.
- Методика расчета количественной оценки горизонтального давления морозного пучения и дополнительного давления оттаивающего грунта.
Научная новизна работы. В полевых условиях проведены замеры горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорные стены и в массиве грунта, исследовано влияние температурного режима и глубины промерзания грунта на горизонтальное давление морозного пучения, получены экспериментальные зависимости горизонтального давления морозного пучения грунта от температуры и глубины промерзания грунта. Автором разработана методика расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, учитывающая сжимаемость талых слоев грунта и миграцию влаги из талого грунта к фронту промерзания. Автором предложена методика учета дополнительного давления оттаивающего грунта, действующего на подпорные стены, в процессе оттаивания массива грунта в зазоре между стеной и мерзлым еще не оттаявшим грунтом.
Личный вклад автора. В основу работы положены экспериментальные и аналитические материалы, полученные автором за последние 5 лет.
Практическое значение. Разработанные методики оценки горизонтального давления морозного пучения грунта и давления оттаивающего грунта могут быть использованы при проектировании стен подземных сооружений и ограждений котлованов в районах с сезонным промерзанием – оттаиванием грунтов. Это позволит обеспечить надежность их расчета по грунту и материалу и получить существенный экономический эффект за счет увеличения срока эксплуатации. Результаты исследований использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации подпорных стен открытого транспортного тоннеля, расположенного в г. Сергиев – Посад.
Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научных форумах: Четвертая традиционная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», МГСУ – 2001 г.; Международная научно – практическая конференция «Горная промышленность и горные науки на рубеже веков», Москва – 2002 г.; Международная конференция «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень – 2004 г.; Третья конференция геокриологов, МГУ – 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 219 наименований. Работа содержит 190 страниц, 68 рисунков и 9 таблиц.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю к.т.н. Г.И. Бондаренко, научному консультанту д.г.-м.н. В.Г. Чевереву, сотрудникам НИИОСП им. Н.М. Герсеванова: д.т.н. В.О. Орлову, к.т.н. В.Е. Конашу, к.т.н. И.В. Колыбину, к.т.н. О.Н. Исаеву за полезные советы и внимание, способствовавшие выполнению данной работы, а также А.А. Чапаеву, И.Н. Шуганову, М.Н. Царапову и Л.С. Михайловой за помощь в проведении лабораторных исследований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой темы, сформулирована ее цель, решаемые задачи, научная новизна, методика исследований, защищаемые положения и практическое значение, область реализации диссертационной работы при проектировании подземных сооружений.
В первой главе рассматриваются и анализируются деформации, возникавшие в стенах подземных сооружений во время строительства и эксплуатации от воздействия промерзания – оттаивания пучинистых грунтов. В данной главе дается обзор экспериментальных исследований давления морозного пучения грунтов в лабораторных и полевых условиях, представлены теоретические исследования давления морозного пучения грунтов при промерзании. Отмечается, что основное внимание ученые уделяли вертикальным силам морозного пучения и деформациям в этом направлении применительно к фундаментам мелкого заложения. Подчеркивается большой вклад в изучении морозного пучения грунтов отечественных инженеров и ученых разных поколений, таких как: Р.Ш. Абжалимов, О.Р. Голли, М.Н. Гольдштейн, Б.И. Долматов, М.И. Евдокимов – Рокотовский, Э.Д. Ершов, И.И. Железняк, Ю.К. Зарецкий, Ю.А. Ивин, В.Х. Ким, М.Ф. Киселев, Ю.Г. Куликов, Е.К. Лесков, Н.Н. Морарескул, В.О. Орлов, Н.А. Перетрухин, Н.А. Пузаков, В.И. Пусков, А.М. Пчелинцев, А.В. Свиньин, В.Г. Симагин, В.Г. Тишин, Н.А. Толкачев, И.А.Тютюнов, В.В. Фурсов, В.Г. Чеверев, Е.Л. Шеф и других специалистов. Вопросам, непосредственно, связанным с влиянием давления морозного пучения на боковую поверхность подземных сооружений, посвящено сравнительно небольшое число работ. В основном исследования горизонтального давления морозного пучения грунта проводились применительно к гидротехническим сооружениям (А.Т. Беккер, А.Я. Будин, Е.И. Хачикянц, Р.В. Чжан) и к стенам подвалов, где учитывалось горизонтальное давление морозного пучения, возникающее при вертикальном промерзании грунта с поверхности земли (В.О. Орлов, Н.А. Перетрухин, Ю.Д. Дубнов, В.И. Пусков и другие).
Показаны усилия, действующие на вертикальные стены подземных сооружений (в частности, подпорные стены) в процессе промерзания – оттаивания (рис.1). Нормальное давление морозного пучения грунтов, действующее на боковую поверхность подземных сооружений, можно подразделить на: горизонтальное давление морозного пучения, возникающее при промерзании грунта в горизонтальном направлении - через стену подземного сооружения и горизонтальное давление морозного пучения, возникающее при промерзании грунта в вертикальном направлении с поверхности земли (характерно для стен подвалов и низких, массивных или теплоизолированных подпорных стен).
Исследования горизонтального давления морозного пучения, развивающегося при промерзании грунта через подпорную стену, не проводились, что свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения этого важного вопроса.
Кроме того, приводится обзор работ, посвященных исследованию деформационно – прочностных свойств мерзлых грунтов при оттаивании. Исследованием этого вопроса занимались многие ученые: П.И. Андрианов, Г.И. Бондаренко, С.С. Вялов, М.Н. Гольдштейн, П.Д. Евдокимов, В.Ф. Жуков, Н.К. Захаров, М.Ф. Киселев, Э.С. Костин, Г.И. Лапкин, В.С. Ласточкин, М.А. Малышев, З.А. Нерсесова, Н.К. Пекарская, В.Д. Пономарев, Л.Т. Роман, И.А. Тютюнов, В.Н. Ушкалов, А.Е. Федосов, В.В. Фурсов, Н.А. Цытович, В.Б. Швец, Н.С. Швец, Е.П. Шушерина и другие.
Для определения влияния оттаивания промерзших грунтов на подпорные стены требуется решение задачи, связанной с прогнозированием вертикальных и горизонтальных перемещений грунта, находящегося за подпорной стеной, исследованием изменения физико – механических свойств грунта в результате промерзания и оттаивания, необходимых для разработки методики расчета давления грунта, действующего на подпорную стену в результате оттаивания.
Во второй главе описаны методики полевых и лабораторных исследований. Исследование процесса промерзания – оттаивания грунтов за подпорными стенами в полевых условиях проводилось комплексно и включало: 1)замеры горизонтального давления грунта за подпорными стенами; 2)замеры деформаций подпорных стен и массива грунта за ними; 3)исследование температурно – влажностного режима грунтов, глубины и скорости их сезонного промерзания с поверхности земли и через подпорную стену.
Экспериментальные исследования в природных условиях проводились на опытном участке подпорной стены открытого транспортного тоннеля, расположенного в городе Сергиев–Посад Московской области. Протяженность тоннеля превышает 400 м. Высота стен различна и находится в пределах от 4 до 12 м. Ширина лотка автодороги равна 21,5 м. Ограждающая конструкция транспортного тоннеля выполнена методом «стена в грунте» из сборно-монолитного железобетона имеет толщину 0,83 м.
Для получения достоверной информации о величине горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего непосредственно на конструкцию подпорной стены, а также на мерзлый грунт на расстояниях 0,15 и 0,30 м на разной высоте от поверхности грунта: 0,8; 1,1; 1,4; 1,7 и 2,0 м установлены датчики давления – мессдозы конструкции ЦНИИСК. Значения давления регистрировались измерительным прибором ЦТИ–1. Мессдозы установлены таким образом, что позволили замерить горизонтальное давление морозного пучения грунта, при его промерзании через подпорную стену - горизонтальное промерзание. В основном исследователи (В.О. Орлов, Н.А. Перетрухин и др.) замеряли горизонтальное давление морозного пучения, развивающееся при промерзании грунта с поверхности земли - вертикальное направление. Температурный режим грунтов наблюдался через три специально оборудованные на расстоянии 0,15; 0,20 и 0,36 м от подпорной стены вертикальные скважины. Температура грунта измерялась с глубины 0,5 до 4,5 м от поверхности через каждый метр с точностью 0,10С. Для замеров температуры использовались термокосы конструкции ПНИИС. Распределение температуры за подпорной стеной учитывалось при определении положения условной границы промерзания грунта.
Кроме, полевых исследований, проведены лабораторные исследования процесса промерзания – оттаивания. Установка для проведения экспериментов сконструирована автором с учетом ГОСТ 28622-90 «Метод лабораторного определения степени пучинистости» и приборов, разработанных другими авторами: Н.Н. Морарескулом, М.Н. Гольдштейном, Н.А. Толкачевым, А.М. Пчелинцевым, О.Р. Голли, В.Х. Кимом и др., позволяет определять деформации грунта при промерзании и оттаивании в требуемом температурном и влажностном режиме, а также давление морозного пучения грунта с помощью современных приборов.
Установка состоит из обоймы для грунта диаметром 112,8 мм и высотой 150 мм, поддона с водой для промораживания грунта с подтоком воды, устройства для регулирования температуры воды в поддоне (тэна и термореле) и устройств для измерения: деформаций - индикатор часового типа ИЧ-10 (мессура); температуры - термопреобразователи сопротивления с измерительным прибором; давления морозного пучения грунта - мессдозы (мессдоза жестко вмонтирована в крышку, моделирующую участок подпорной стены) и регистрирующий прибор ЦТИ – 1. Для обеспечения одномерного промерзания грунта установка со всех сторон, кроме верха, изолировалась слоем пенопласта и помещалась в климатическую камеру ILKA, в которой поддерживался заданный температурный режим с точностью ±0,10С.
Проанализированы инженерно-геологические условия трассы тоннеля и обосновывается выбор опытного участка. Описываются климатические условия района. Представлено описание инженерно–геологических условий экспериментальной площадки, обустроенной на опытном участке подпорной стены открытого транспортного тоннеля, расположенного в г. Сергиев–Посад Московской области. Содержатся краткие сведения об основных строительных свойствах грунта опытного участка - верхнечетвертичного пролювиального суглинка. Влажность суглинка на границе текучести равна 0,24, раскатывания - 0,14, природная влажность изменяется от 0,20 до 0,24, что соответствует мягкопластичному и текучему состоянию.
В третьей главе представлены результаты полевых исследований. Измерения горизонтального давления морозного пучения и температуры грунта проводились в три зимних периода 2001–2004 гг. с ноября по май, отсчеты снимались ежедневно. Погодные условия в зимние периоды 2001–2004 годов имели крайне неустойчивый характер: периоды резкого охлаждения воздуха сменялись оттепелями. Среднестатистическая температура зимнего периода для г. Сергиев–Посад по данным многолетних наблюдений составляет -6,780С. В результате измерений температуры воздуха, проведенных автором в районе расположения тоннеля, установлено, что средняя температура зимнего периода 2001–2002 гг. составила -4,850С, в 2002–2003 гг. составила -4,520С, в 2003–2004 гг. составила -4,440С. Глубина промерзания грунта с поверхности земли (снежный покров отсутствовал) в зимний период 2001–2002 гг. составила – 1,56 м, мощность мерзлого грунта, промерзшего через подпорную стену – 1,02 м, в 2002–2003 гг. соответственно –1,53 м и 0,99 м, в 2003–2004 гг. соответственно – 1,26 м и 0,76 м. Средняя скорость промерзания грунта в зимний период 2001–2002 гг. составляла для грунта, промерзшего через открытую поверхность (вертикальное промерзание), – 2,5 см/сут, для грунта, промерзающего за подпорной стеной (горизонтальное промерзание), – 1,3 см/сут, в зимний период 2002–2003 гг. соответственно –1,7 см/сут и 1,1 см/сут, в зимний период 2003–2004 гг. соответственно – 1,3 см/сут и 0,7 см/сут. В осенний период (перед промерзанием) все поры грунта были заполнены водой, влажность грунта составляла 0,230,25 грунт соответствовал мягкопластичному и текучему состоянию. В результате криогенной миграции воды в горизонтальном направлении к фронту промерзания, влажность грунта у подпорной стены к концу зимнего периода увеличилась до 0,280,30.
Натурные наблюдения, проведенные в течение трех зимних периодов 2001–2004 гг., позволили получить зависимости развития горизонтального давления морозного пучения грунта за подпорной стеной во времени от температуры воздуха, грунта и глубины промерзания по высоте подпорной стены (рис.2). Давление морозного пучения грунта увеличивалось после понижения температуры воздуха через один-пять дней, что связано с постепенным промерзанием грунта и миграцией воды из талого грунта, приводящей к увеличению объема воды в промерзающем слое грунта и, как следствие, увеличению давления морозного пучения, вызванного увеличением объема воды при кристаллизации. Измерения показали, что максимальная величина горизонтального давления морозного пучения за подпорной стеной в зимний период 2001–2002 гг. достигала - 0,19 МПа (замеры проводились не весь зимний период, а до 15 февраля), в зимний период 2002–2003 гг. – 0,45 МПа, в зимний период 2003–2004 гг. – 0,50 МПа. Величина давления морозного пучения грунта зависит от скорости и глубины промерзания грунтов за подпорной стеной. Чем меньше скорость и больше глубина промерзания грунта, тем величина давления морозного пучения выше. Давление морозного пучения грунта, замеренное на контакте грунта и подпорной стены, в среднем превышало давление, замеренное на расстояниях 0,15 и 0,30 м от подпорной стены, что объясняется большей мощностью промерзшего грунта за подпорной стеной.
Давление морозного пучения грунта за подпорной стеной распределялось по глубине неравномерно и зависело от температуры, глубины промерзания и скорости промерзания грунта, физических характеристик грунта (влажность, плотность грунта). В весенний период давление морозного пучения понижалось и после полного оттаивания грунта равнялось нулю.
В период промерзания грунта отмечено образование трещин в подпорных стенах длиной до 6 м, шириной до 10 мм. Наблюдениями за оттаиванием массива грунта, проводимыми в весенние периоды, обнаружено: проседание грунта и отмостки за подпорными стенами длиной до 14 м, глубиной до 11 см, образование щелей между подпорными стенами и отмосткой длиной до 48 м, шириной до 5 см.
В четвертой главе представлены результаты лабораторных исследований, выполненных с целью количественной оценки давления и деформации морозного пучения, а также осадки суглинка при оттаивании и получения зависимостей данных параметров от плотности, влажности, условий промораживания.
Исследования проводились на искусственно приготовленных образцах верхнечетвертичного пролювиального суглинка, отобранного на опытном участке подпорной стены в г. Сергиев – Посад. Для выполнения опытов приготовляли пасту грунта с влажностью: 0,24 (IL=1, текучее состояние); 0,20 (IL=0,6, мягкопластичное состояние); 0,17 (IL=0,3, тугопластичное состояние); и плотностью: 2,1; 2,0 и 1,8 г/см3.
Образцы грунта замораживали при температуре, равной -6,80С, одинаковой во всех опытах и соответствующей среднезимней температуре воздуха в г. Сергиев–Посад, промораживание образцов было односторонним (сверху). Всего было проведено около 60 опытов по определению давления и деформации морозного пучения грунта.
Лабораторные исследования позволили получить зависимости деформации морозного пучения суглинка во времени и проследить характерные фазы развития деформаций, зависимости давления и деформаций морозного пучения суглинка от влажности, плотности, пористости, а также зависимости давления морозного пучения от деформаций.
В результате лабораторных исследований деформации и давления морозного пучения суглинка при промерзании установлено, что:
- давление морозного пучения находится в пределах 0,170,47 МПа;
- относительная деформация морозного пучения находится в пределах 0,0100,038;
- с повышением начальной влажности от 0,17 до 0,24 при неизменной плотности давление и деформация морозного пучения при промерзании возрастают;
- с повышением начальной пористости грунта давление и деформация морозного пучения грунта понижаются;
- с повышением начальной плотности от 1,8 до 2,1 г/см3 (плотности скелета от 1,45 до 1,79 г/см3) и сохранении влажности грунта неизменной для трехфазной системы давление и деформация морозного пучения грунта возрастают. Данные зависимости характерны как для закрытой, так и для открытой систем.
Влажность грунта при его промерзании в открытой системе изменяется в зависимости от возможности изменения грунта в объеме:
- при промерзании грунта в замкнутом объеме его влажность в результате криогенной миграции увеличивается незначительно, примерно на 0,035;
- при промерзании грунта с открытой верхней поверхностью влажность грунта в результате криогенной миграции значительно увеличивается, примерно в 2,73,5 раза больше, чем в замкнутом объеме;
- при наличии подтока влаги в промерзающий слой грунта деформация и давление морозного пучения грунта были примерно в 1,5 раза выше по сравнению с аналогичными параметрами, полученными в закрытой системе.
Результаты лабораторных работ использованы автором для разработки методики расчетов горизонтального давления морозного пучения, действующего на подпорные стены.
Предложена методика определения давления морозного пучения грунта в лабораторных условиях с применением поправочных коэффициентов, полученных по теории подобия, учитывающих сжимаемость талых слоев грунта и фактическую глубину промерзания грунта в натурных условиях. Методика разработана с учетом предпосылок других ученых: В.О. Орлов, Н.А. Перетрухин, В.Х. Ким.
Значения давления морозного пучения грунта, полученные в лабораторных условиях с применением поправочных коэффициентов, сопоставимы со значениями максимального горизонтального давления морозного пучения грунта, замеренными в натурных условиях. Так значения горизонтального давления морозного пучения грунта, замеренные в полевых условиях с природной влажностью, равной 0,24 и плотностью 2,0 г/см3, составили: в 2002-03 гг. - 0,45 МПа, в 2003-04 гг. - 0,50 МПа и отличаются от значений давления морозного пучения, полученных в лабораторных условиях для грунтов с теми же физическими свойствами не более чем на 10%.
Исследования деформации грунта при оттаивании проводились в той же установке, в которой осуществлялось замораживание образцов грунта и замерялись деформации и давление морозного пучения грунта при его промерзании. После завершения опыта по замораживанию образцов грунта, повышали температуру воздуха в камере до +18+200С и замеряли осадку тех же образцов грунта при оттаивании. Было проведено более 40 опытов по определению осадки оттаивающего грунта.
В результате проведенных лабораторных исследований, получены значения деформаций грунта в процессе промерзания – оттаивания, прослежены характерные фазы развития деформаций, а также изменения деформаций при оттаивании суглинка во времени.
На основании лабораторных исследований осадки суглинка при оттаивании установлено, что:
-относительная осадка грунта при оттаивании находится в пределах 0,005 0,042 (табл.1);
-с повышением начальной влажности от 0,17 до 0,33, коэффициента пористости от 0,53 до 0,96 и степени заполнения пор грунта водой от 0,59 до 1,00 осадка оттаивания повышается;
-с повышением начальной плотности скелета грунта от 1,38 до 1,77 г/см3 осадка оттаивания понижается;
-величина осадки грунта при оттаивании достигала величины деформации морозного пучения, а в некоторых опытах превышала ее.
Полученные значения осадки исследуемого грунта при оттаивании, а также зависимости осадки от влажности, плотности, пористости и степени заполнения пор грунта водой были использованы для оценки величины осадки грунта за подпорными стенами и для разработки методики расчетов горизонтального давления оттаивающего грунта.
Таблица 1
| №, п/п | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Влажность грунта | 0,33 | 0,32 | 0,31 | 0,30 | 0,28 | 0,26 | 0,24 | 0,22 | 0,20 | 0,17 |
| Средняя относительная осадка оттаивания | 0,042 | 0,033 | 0,031 | 0,026 | 0,023 | 0,023 | 0,021 | 0,016 | 0,015 | 0,005 |
В пятой главе описан механизм развития горизонтального давления грунта за подпорными стенами в процессе промерзания – оттаивания. На основании результатов многолетних наблюдений за температурным режимом и напряженно – деформируемым состоянием грунтов, находящихся за подпорными стенами, выделены основные стадии промерзания грунта, в зависимости, от состояния промерзающего грунта: начальное замерзание (пучение незначительное); активное промерзание и пучение (происходит основное пучение грунта); охлаждение (грунт переходит в твердомерзлое состояние).
В начальный период промерзания грунт за подпорной стеной промерзает только сверху, т.к. до полного промерзания (охлаждения) материала подпорной стены требуется некоторое время. Дальнейшее промерзание грунта происходит в двух направлениях: продолжается промерзание грунта по вертикали (сверху) и начинается промерзание грунта в горизонтальном направлении через тело подпорной стены.
На основании проведенных полевых и лабораторных исследований, автором разработана методика расчета горизонтального давления грунта в процессе его промерзания-оттаивания за подпорными стенами. Расчет горизонтального давления, действующего на подпорные стены, следует вести исходя из учета условий промерзания-оттаивания грунтов за подпорными стенами, для чего предлагаются три варианта расчета.
Вариант 1. Промерзание грунта за подпорной стеной происходит только с поверхности земли в вертикальном направлении. Промерзание грунта через подпорную стену произойдет позднее, после промерзания (охлаждения) подпорной стены. Приближенно вертикальное давление морозного пучения (или иначе давление сопротивления пучению) на контакте мерзлого и талого грунта будет равно весу вышерасположенного промерзшего грунта (бытовое сопротивление пучению) плюс внешняя нагрузка (при наличии), что отмечается многими учеными М.Ф. Киселевым, В.И. Пусковым, В.А. Едапиным и др. Горизонтальная составляющая давления, промерзшего в вертикальном направлении грунта, равна вертикальному давлению с учетом коэффициента перехода. В соответствии с работой В.И. Пускова, коэффициент перехода зависит от свойств грунта, условий промораживания и наличия внешней нагрузки, определяется специальными исследованиями для условий, идентичных с природными.
Вариант 2. Промерзание грунта происходит в горизонтальном направлении через подпорную стену. Горизонтальное давление морозного пучения грунта, возникающее при промерзании грунта через подпорную стену и действующее на нее, можно определить, исходя из следующих допущений:
- подпорная стена не деформируется (жесткая) и увеличение грунта в объеме будет происходить, в основном, за счет уплотнения талого грунта на величину деформации морозного пучения, вызванного промерзанием грунта за подпорной стеной;
- касательные силы морозного пучения грунта, действующие на подпорную стену, не учитываются;
- толща твердомерзлого грунта не деформируется.
При разработке методики расчета были использованы предпосылки, сделанные В.О. Орловым при расчете вертикальных деформаций и сил морозного пучения грунта. Исходя из этого, предполагаем, что при жесткой подпорной стене увеличение в объеме влажного грунта при его промерзании будет компенсироваться усадкой уплотнения талого грунта, соприкасающегося с промерзающей толщей, при этом деформация пучения будет отсутствовать. Используя зависимость усадки талого грунта, предложенную Н.Я. Денисовым для талых грунтов, горизонтальное давление морозного пучения грунта можно определить по следующим формулам:
(1)
или
, (2)
| где hf | – деформация морозного пучения, м; |
| ЕТ | – модуль деформации талого грунта, МПа; |
| – коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона; | |
| df | – глубина промерзания грунта, м; |
| fh | – относительная деформация морозного пучения; |
| еth | – коэффициент пористости грунта до начала пучения в талом состоянии. |
Значения hf и fh могут быть определены экспериментальным путем (в полевых и лабораторных условиях) или расчетным путем.
Расчет по формулам (1) и (2) следует вести при промерзании грунта в закрытой системе при его влажности, не превышающей влажность на границе раскатывания.
При промерзании грунта в условиях закрытой системы с влажностью, превышающей влажность на границе раскатывания, миграция влаги будет наблюдаться за счет оттока поровой воды из талого в промерзающий слой грунта. Талый грунт будет «отдавать» воду до тех пор, пока его влажность не станет равной влажности на границе раскатывания. В таком состоянии грунт доходит до предела усадки и его дальнейшее обезвоживание прекращается. Используя данное предположение и зависимость по расчету деформации морозного пучения грунтов, формула (2) примет вид:
, (3)
| где W, Wp, Ww | – влажность: природная, на границе раскатывания и незамерзшей воды; |
| d, w | – плотность: сухого грунта и воды. |
В условиях открытой системы (наличие водоносных горизонтов, увлажнение грунтов за счет атмосферных осадков и др.) деформация морозного пучения будет состоять из двух составляющих: деформации за счет увеличения объема поровой воды во время промораживания грунта и деформации за счет увеличения в объеме воды, подтянутой в промерзающий грунт из талой зоны в процессе криогенной миграции. Для открытой системы выражение (2) запишется в следующем виде:
, (4)
| где Qt | – количество мигрирующей в промерзающий грунт воды. |
Количество мигрирующей воды Qt зависит от множества факторов по Н.А. Цытовичу: Qt =f[I W,,, p…].
| где I W,,, p | – движущий градиент (W - влажность, - температура, – химический потенциал, p – величина внешнего давления). |
Значения деформации морозного пучения при промерзании в открытой системе можно получить в лабораторных условиях или по разработанным некоторыми учеными (В.О. Орлов, В.Д. Карлов и др.) расчетным методикам.
По рассмотренным формулам автором выполнены расчеты величины горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на подпорную стену, при промерзании грунта через нее с учетом экспериментальных данных.
Рассчитанные по вышеприведенным формулам значения горизонтального давления морозного пучения грунта сравнивались со значениями горизонтального давления, замеренного в полевых и полученного в лабораторных условиях. Расчетные значения горизонтального давления морозного пучения грунта оказались сопоставимы с результатами лабораторных исследований и отличаются не более чем на 12% и, замеренными в натурных условиях, отличаясь примерно на 13%.
Вариант 3. Оттаивание грунта за подпорной стеной. При воздействии положительной температуры воздуха в весенний период мерзлые грунты, находящиеся за подпорной стеной, начинают оттаивать. Оттаивание грунта за подпорной стеной происходит в трех направлениях: со стороны талого грунта, со стороны открытой поверхности и через подпорную стену. В результате оттаивания происходит зависание оттаявшего грунта в зазоре между подпорной стеной и мерзлым грунтом, консолидация и упрочнение оттаявших пород происходит только после разрушения образующегося свода разгрузки и просадки оттаявшего грунта. При оттаивании давление на подпорную стену и мерзлый массив грунта будет возрастать. При этом на подпорную стену и мерзлый грунт будет действовать горизонтальное давление.
Вес, смещающегося за подпорной стеной объема пород (свода разгрузки), меньше предельных усилий сдвига и, следовательно, полностью может быть воспринят вертикальными стеной и окружающим зону недеформируемым массивом мерзлых пород при размерах свода разгрузки Dсв на глубине hот, равным в связных грунтах (В.Д. Пономарев):
, (5)
| где С1, 1 | – сцепление и угол внутреннего трения принимаются по результатам лабораторных исследований мерзлых пород при оттаивании; |
| от | – удельный вес оттаявшего грунта, кН/м3. |
После разрушения свода разгрузки наступает период консолидации и уплотнения оттаявших грунтов под собственным весом.
Горизонтальное давление, действующее на подпорную стену при оттаивании грунта в зазоре между стеной и мерзлым грунтом (зависающего объема оттаивающих грунтов), можно определить по методике Э.С. Костина:
, (6)
| где Dсв | – размер зоны оттаивания за подпорной стеной (свода разгрузки), изменяющийся во времени от значений: Dсвmin=1, до  ; |
| здесь 1 | – коэффициент бокового давления оттаявших пород, определяемый по формуле: |
. (7)
При hот>5 Dсв в уравнении (6) вторым множителем можно пренебречь, тогда (6) будет максимальным и примет вид:
. (8)
Проведенные расчеты показали, что в период оттаивания грунта на подпорные стены, действует дополнительное горизонтальное давление, равное 0,025 МПа. Давление оттаивающего грунта, действующее на подпорную стену, значительно меньше давления морозного пучения для рассматриваемых условий. В районах с глубоким промерзанием грунтов, более 3-х метров или при использовании искусственного замораживания грунтов для глубоких тоннелей давление оттаивающего грунта будет значительно больше за счет оттаивания большего массива грунта и его учет в расчетах вертикальных стен обязателен.
ВЫВОДЫ
- Разработана методика комплексного исследования температурного режима и динамики развития напряженно – деформированного состояния грунтов за подпорными стенами в процессе сезонного промерзания – оттаивания в полевых и лабораторных условиях.
- Полевыми исследованиями, проведенными в 2001-2004 гг. на участке подпорной стены открытого транспортного тоннеля, расположенного в г. Сергиев - Посад установлено, что горизонтальное давление морозного пучения грунта (суглинка) увеличивается после понижения температуры наружного воздуха в течение одного-пяти дней, что связано с постепенным промерзанием грунта и миграцией воды из подстилающих слоев талого грунта. Горизонтальное давление морозного пучения меняется скачкообразно и достигает максимума на контакте грунта с подпорной стеной, его значение возрастает с понижением температуры и увеличением мощности промерзшего слоя грунта. Величина максимального горизонтального давления морозного пучения грунта за подпорной стеной составила 0,19-0,50 МПа. По мере удаления от стены давление морозного пучения уменьшается. По глубине горизонтальное давление морозного пучения грунта изменяется неравномерно, в зависимости от температуры и физических свойств грунта. В натурных условиях получены изменения горизонтального давления морозного пучения грунта в течение зимнего периода на разной глубине и удалении от подпорной стены, в зависимости от температуры и мощности слоя промерзшего грунта, которые согласуются с результатами лабораторных исследований.
- Лабораторными исследованиями на образцах суглинка, отобранного на опытном участке подпорной стены получены, количественные значения и установлены зависимости давления, деформаций морозного пучения и осадки оттаивания от влажности, плотности и условий промораживания. Разработана методика определения давления морозного пучения грунта с учетом переходных коэффициентов, полученных по теории подобия, учитывающих сжимаемость талых слоев грунта и фактическую глубину промерзания грунта. Значения давления морозного пучения грунта, полученные в лабораторных условиях, сопоставимы со значениями максимального горизонтального давления морозного пучения грунта, замеренными в натурных условиях, и отличаются не более чем на 10%.
- Разработаны методики расчета горизонтального давления морозного пучения глинистых грунтов для условий закрытой и открытой систем с учетом сжимаемости талых слоев грунта и миграции воды.
Проведенные расчеты по предложенным методикам показали, что расчетные значения горизонтального давления морозного пучения грунта, сопоставимы с результатами лабораторных и натурных исследований и отличаются от них, соответственно не более чем на 12 и 13%.
Предложена методика расчета дополнительного давления, действующего на подпорную стену от зависающего объема оттаивающих грунтов, находящихся между подпорной стеной и массивом мерзлого грунта.
- Результаты, полученные при выполнении исследований, использовались для корректировки проектных решений в процессе строительства транспортного тоннеля, расположенного в г. Сергиев – Посад, а также во время его эксплуатации для установления причин, имевших место деформаций отдельных участков подпорных стен и назначения соответствующих мероприятий (замена пучинистого грунта, водоотвод, залечивание трещин).
Полученные результаты дают основание рекомендовать разработанные методики расчета давления морозного пучения и оттаивания грунтов при проектировании подпорных стен в районах с сезонным промерзанием-оттаиванием грунтов.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Опыт строительства и результаты обследований, выполненные при строительстве очистного сооружения способом «стена в грунте» //Четвертая традиционная научно-практическая конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов. Строительство – формирование среды жизнедеятельности.: Сб. докл – МГСУ, 2001.
- Особенности строительства на склонах, обусловленные сезонным промерзанием – оттаиванием грунтов //Международная научно – практическая конф.: Сб. докл. – М., 2002. Соавтор Бондаренко Г.И.
- Влияние промерзания – оттаивания пучинистых грунтов на несущую способность подпорных стен //Международная конф. /Криосфера нефтегазоносных провинций.: Тез. докл. – Тюмень, 2004. Соавтор Г.И. Бондаренко
- Влияние оттаивания замороженных вокруг тоннеля грунтов на деформации основания сооружения //Третья конф. геокриологов.: Сб. докл. – МГУ, 2005. Соавторы Г.И. Бондаренко, И.Н. Шуганов, М.Н. Царапов.
- Определение давления морозного пучения грунтов в лабораторных условиях //Геотехника: актуальные теоретические и практические проблемы: Межвузовский тематический сборник трудов. – СПбГАСУ, 2006. Соавтор Г.И. Бондаренко
- Полевые исследования горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на стены подземных сооружений //Объединенный научный журнал/Фонд правовых исследований –№7, 2006. Соавторы О.В.Орлов, Г.И. Бондаренко.
- Методика расчета горизонтального давления морозного пучения грунта, действующего на стены подземных сооружений //Объединенный научный журнал/Фонд правовых исследований – №7, 2006.
