Механизм формирования морозного пучения - Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

Физическая сущность природы сил морозного пучения грунтов ни теоретически, ни экспериментально еще не раскрыта. О величине нормальных сил морозного пучения грунтов судят только по величине сопротивления среды при работе сил морозного пучения грунтов за счет видоизменений содержащейся в грунте тепловой энергии.

В отечественной и зарубежной литературе нет единого общепринятого определений морозного пучения грунтов. Так, первые русские исследователи - инженеры-железнодорожники эффект морозного пучения грунтов называли пучинами, а инженеры-строители - выпучиванием или распучиванием.

П. Н. Любимов дал определение "пучинам на железных дорогах", которое сформулировал так: "Пучиною называется... местное поднятие полотна, зависящее от присутствия под ним в пределах промерзания насыщенных водою грунтов и вызывающее зимой и в начале весны такого рода неправильности в положении верхнего строения железнодорожного пути, которое нарушает спокойствие и безопасность движения поездов".

Из приведенного определения следует, что могут вспучиваться только насыщенные водой грунты, но, как известно, пучение водонасыщенных грунтов есть частный случай пучения. Наблюдаются случаи, когда пучение грунтов и образование пучин на дорогах происходят в значительных размерах на слабовлажных грунтах при стоянии уровня подземной воды на глубине 5-6 м от дневной поверхности, и, наоборот, иногда грунты, полностью насыщенные водой, не считаются пучинистыми потому, что при замерзании грунтовой воды в порах не происходит изменения объема скелета грунта по ряду причин.

Следовательно, одно водонасыщение грунта не может во всех случаях промерзания грунта обусловить пучинистость всех без исключения грунтов в одинаковой степени и вызвать пучинообразование.

Наибольший эффект морозного пучения дает сочетание вида грунта с водным и термическим режимами и другими факторами. Положительное в определении П. Н. Любимова заключается в том, что главным моментом считается внешний признак (местное поднятие), привязанный ко времени года и пределам сезонного промерзания грунтов.

М. И. Сумгин дает свое определение следующего содержания: "Пучением грунтов мы называем в обобщенном понимании деформации поверхности почвы, заключающиеся в поднятии, а затем опускании этой поверхности". Здесь доминирующим моментом в определении служит внешний эффект. М. И. Сумгин процесс морозного пучения делит на два сменяющих друг друга самостоятельных цикла - пучение и оседание.

Н. И. Быков дал определение морозного пучения грунтов в следующей формулировке: "Будем впредь называть пучением всякое вертикальное перемещение вверх как самого грунта, так и заключенных в него предметов, происходящее вследствие замерзания и расширения грунта; противоположное явление - перемещение вниз при оттаивании - будем называть оседанием".

Н. А. Цытович дал следующее определение пучения грунтов:

"Пучение грунтов при замерзании вызывается увеличением объема воды при переходе из жидкого состояния в твердое и образованием ледяных прослоек и линз". В определении Н. А. Цытовича главным образом указывается на причину возникновения пучения грунта за счет изменения объема грунта при замерзании.

В. О. Орлов дает несколько отличающееся определение следующего содержания: "Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т. п.

Внешним проявлением морозного пучения служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании".

В данном определении уточняются пределы геологических образований, в которых наблюдается морозного пучения. Кроме того, Орловым дано более широкое понятие ("объемное деформирование"), охватывающее структурные изменения в грунте в результате пучения.

Более краткое определение дано Б. И. Далматовым: "Морозным пучением называется увеличение объема грунта при промерзании в результате перехода воды в лед и миграции влаги к фронту промерзания. Пучинистыми обычно называют грунты, которые при промерзании в условиях естественного залегания способны увеличиваться в объеме". Таким образом, Б. И. Далматов дает дополнение к определению пучинистых, но применительно к практике строительства.

"Пучинистыми (морозоопасными) грунтами называются такие грунты, которые при промерзании обладают свойством увеличивать свой объем при переходе их в мерзлое состояние. Изменение объема грунта обнаруживается в природных условиях в поднятии дневной поверхности в процессе промерзания и опускании ее при оттаивании. В результате этих объемных изменений происходят объемные деформации, что и наносит повреждения основаниям, фундаментам и надфундаментному строению зданий и сооружений".

Процесс морозного пучения грунтов определяется рядом климатических, геологических и техногенных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве зданий. Во-первых, на степень пучения оказывают влияние поземные воды, в частности водонасыщенность грунта и уровень капиллярного поднятия вод.

Во-вторых, глубина и скорость промерзания грунтов, зависящих от значений отрицательной температуры наружного воздуха, от величины снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий, солнечной радиации, от смен холодной погоды на оттепели.

Подземные воды не всегда имеют стабильный уровень стояния. Например, в аллювиальных отложениях речных долин уровень стояния подземной воды зависит от колебания уреза воды в реке. Весенний подъем уреза воды в реке не составляет большой угрозы для фундаментов, так как уровень подземной воды понижается со спадом воды в реке.

Если грунты перед промерзанием оказываются водонасыщенными, это может привести к значительному пучению. Находясь близко к слою промерзающего грунта, верховодка и подземная вода по капиллярам увлажняют промерзающий грунт, создавая при этом наиболее благоприятные условия для миграции влаги к фронту промерзания и образования в грунте избыточного накопления льда в виде прослоек и линз.

За толщину слоя капиллярного поднятия воды принимается расстояние от уровня подземной воды до горизонта, где влажность глинистого грунта не превышает влажности на границе раскатывания. Толщину слоя капиллярного поднятия называют морозоопасной "каймой" над уровнем подземной воды. Эта кайма зависит от состава и сложения грунта в природных условиях, и толщина ее колеблется в пределах от 0,3 до 3,5 м в зависимости от степени дисперсности грунта.

Капиллярное поднятие воды в грунтах происходит под действием поверхностной энергии минеральных частиц грунта и, следовательно, зависит от их удельной поверхности. Например, в песках круглых и средней крупности удельная поверхность частиц сравнительно небольшая, поэтому в этих песках почти не наблюдается капиллярного поднятия воды и вследствие этого отсутствуют деформации морозного пучения (они относятся к непучинистым грунтам).

Пески мелкие и пылеватые имеют большую дисперсность по сравнению с песком крупным, и вследствие взаимодействия удельной поверхности минеральных частиц с водой капиллярное поднятие в природных условиях наблюдается на высоту от 0,3 до 0,5 м. В супесях высота капиллярного поднятия достигает от 0,5 до 1 м, в суглинах - до 1,5 и глинах - до 3 м.

На основании визуальных наблюдений за высотой капиллярного поднятия над уровнем грунтовых вод по разрезам и по данным распределения природной влажности грунта в этой зоне установлены зависимости его высоты от физических характеристик пучинистых грунтов. При наличии этих характеристик можно рассчитать высоту капиллярного поднятия, которая и служит основным показателем в классификации степени пучинистости грунтов.

Положение зоны капиллярного поднятия воды в грунтах находится в зависимости от сезонных и многолетних колебаний стояния уровня грунтовых вод, поэтому возможность изменения природной влажности грунтов в слое сезонного промерзания следует определять по материалам гидрогеологических изысканий и прогнозов, выполняемых на основе специальных расчетов.

Локально водонасыщаемые промышленными водами грунты при промерзании неравномерно вспучиваются, что вызывает серьезные повреждения зданий и сооружений. При проектировании фундаментов промышленных зданий и сооружений с мокрым технологическим процессом следует предусматривать мероприятия, исключающие или уменьшающие последствия водонасыщения грунтов.

Глубина и скорость промерзания грунтов являются важными факторами в процессе их морозного пучения, зависят от вида грунтов и их природной влажности, значений отрицательной температуры наружного воздуха и продолжительности холодного периода года.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают примерно на 20% меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

Глубина промерзания грунтов в пределах территории РФ колеблется в широких пределах - от 0,5 до 6 м. Максимальные значения глубины промерзания грунтов наблюдаются в Забайкалье, ближе к границе Монголии, преимущественно на песчаных и крупнообломочных грунтах и большей частью на склонах северной экспозиции.

Глубина промерзания зависит также от снегового покрова, теплоизоляции грунта, наличия покрытий.

Величина глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Забайкалье пучение свободной поверхности грунта достигло 39 см при глубине промерзания суглинистого грунта на 2,8 м, а сильнопучинистый суглинок в Московской области вспучается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.

Значения морозного пучения грунтов зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха. Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания величина вспучивания грунта меньше. На величину вспучивания оказывает влияние коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток количества влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.

При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем за счет миграции воды из нижележащих слоев талого грунта. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.

Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м, т. е. там, где больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели.

Похожие статьи




Механизм формирования морозного пучения - Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

Предыдущая | Следующая