Введение, Состояние изученности вопроса, Влияние морозного пучения на устойчивость инженерных сооружений - Влияние состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение

В планах развития народного хозяйства страны большую роль играет освоение районов Крайнего Севера и Сибири. В связи с освоением месторождений нефти и газа, расширением строительства в этих районах на грунтах, подверженных глубокому сезонному промерзанию, особенно остро возникают проблемы, связанные с морозным пучением, что является одним из важнейших фактором, определяющим устойчивость инженерных сооружений.

Цель работы - выявление влияния состава и состояния глинистых грунтов на морозное пучение.

Задачи:

- определить минеральный состав глин; - выявить закономерности деформации морозного пучения в зависимости от влажности глин; - выявить закономерности деформации морозного пучения в зависимости от плотности и пористости глин.

Объект исследования:

- Глина бентонитовая; - Глина монтмориллонитовая; - Глина каолинитовая.

Состояние изученности вопроса

Влияние морозного пучения на устойчивость инженерных сооружений

Под морозным пучением грунтов подразумевается их свойство при определенном сочетании гидротермических условий в пределах сезонного промерзания увеличиваться в объеме под действием сил кристаллизации льда при фазовых превращениях, содержащейся в грунте дополнительно воды к кристаллам льда. Внешнее проявление этого свойства грунтов заключается в неравномерном поднятии дневной поверхности за счет образования ледяных включений.

Оценку грунтов по их морозоопасности впервые дал Ч. А. Гогентоглер, который за основной признак пучинистости грунтов принял суммарное содержание в составе грунта мелких фракций диаметром менее 0,1 мм. По Гогентоглеру, все рыхлые отложения будут морозоопасными, если в составе грунта содержится более 10% частиц диаметром меньше 0,1 мм. Поскольку песчаные грунты в слое сезонного промерзания обычно более диспергированы в результате почвообразовательных процессов, то по классификации Гогентоглера все песчаные почвы и грунты могут быть отнесены к пучинистым.

В 30% крупнообломочных грунтов, содержащих в своем составе мелкие фракции диаметром менее 0,1 мм в виде заполнителя, при замерзании в водонасыщенном состоянии не появлялось деформаций морозного пучения.

Специалисты-дорожники также за основной классификационный признак принимают гранулометрический состав, но такое подразделение на две группы (пучинистые и непучинистые) не отвечает запросам практики фундаментостроения.

В конце 50-х была предложена классификация грунтов по степени морозной пучинистости по двум основным критериям - гранулометрическому составу грунта и величине вспучивания поверхности грунта при полном промерзании его в природных условиях. Кроме этих двух факторов, учитывалось состояние грунта после его оттаивания, что имеет значение для устойчивости фундаментов зданий и сооружений. В данной классификации принималась во внимание также глубина промерзания грунтов, поскольку величина вспучивания относилась к максимальному значению промерзания грунта в течение всей зимы.

Действующая классификация грунтов по степени морозной пучинистости основана на влиянии деформаций замерзающего грунта на устойчивость фундаментов зданий и сооружений. По этой классификации грунты в их природном сложении подразделялись на непучинистые, малопучинистые, среднепучинистые и очень пучинистые. Классификация относилась только к грунтам при полном их водонасыщении, но, как известно, все виды грунтов в сухом или малоувлажненном состоянии при промерзании не обнаруживают внешних признаков морозного пучения, и поэтому возникла потребность ориентироваться при классификации грунтов на их природную влажность перед промерзанием и условия увлажнения.

В зависимости от гранулометрического состава, природной влажности, глубины залегания уровня грунтовых вод и расчетной глубины промерзания грунтов грунты подразделяются на пять разновидностей: сильнопучинистые, среднепучинистые, слабопучинистые, условно непучинистые и непучинистые. Так, пылеватые супеси, суглинки и пылеватые глины пластичной консистенции при расположении уровня грунтовых вод в слое сезонного промерзания или ниже нормативной глубины промерзания в супесях не более чем на 0,5 м, а в суглинках и глинах не более 1 м относятся к наиболее морозоопасным сильнопучинистым грунтам.

К среднепучинистым относятся пески пылевые, супеси, суглинки и глины с природной влажностью, превышающей показатель консистенции 0,5, при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания в пылеватых песках не более чем на 0,6 м, в супесях - не более чем на 1 м, в суглинках - не более чем на 1,5 м и в глинах - не более чем на 2 м, по степени морозной пучинистости.

К группе слабопучинистых грунтов относятся пески мелкие и пылеватые, супеси, суглинки и глины тугопластичной консистенции, а также крупноблочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем при стоянии уровня грунтовых вод, превышающем нормативную глубину промерзания: в пылеватых и мелкозернистых песках не более чем на 1 м, в супесях - не более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) - не более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) - не более 2,5 м и в глинах (с числом пластичности меньше 0,28) - не более чем на 3 м.

К практически непучинистым относятся: крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые и все виды глинистых грунтов твердой консистенции с природной влажностью в период промерзания меньшей, чем влажность на границе раскатывания при уровне грунтовых вод ниже нормативной глубины промерзания: в крупнообломочных, пылеватых и мелкозернистых песках более чем на 1 м, в супесях - более чем на 1,5 м, в суглинках (с числом пластичности меньше 0,12) - более чем на 2 м, в суглинках (с числом пластичности более 0,12) на 2,5 м и в глинах с числом пластичности меньше 0,28 - более чем на 3 м. Эта классификация грунтов по степени морозной пучинистости включена встандарт для проверки устойчивости фундаментов на действие сил морозного пученния грунтов оснований.

При определении степени морозной пучинистости грунтов следует в основном ориентироваться на их природную влажность и положение уровня стояния грунтовой воды на период, соответствующий началу промерзания грунта.

Скальные, крупнообломочные грунты, содержащие менее 30% по массе частиц диаметром < 0,1 мм, пески гравелистые крупные и средней крупности независимо от их природной влажности и уровня залегания грунтовой воды относятся к непучинистым грунтам.

Различают две ситуации воздействия сил морозного пучения на фундамент. В первом случае, если фундамент залегает в пучинистом грунте в пределах глубины промерзания, то при пучении он вместе с расширяющимся грунтом поднимается вверх. Но даже если фундамент залегает ниже глубины промерзания, то он все равно может подвергаться воздействию сил пучения, которые в данном случае будут касательными (боковыми). Давление грунта на стенки фундамента может быть очень значительным и при большой площади соприкосновения стенок с пучинистым грунтом, он может поднять фундамент только за счет сил бокового сцепления. Такой сценарий особенно вероятен для легких домов из дерева или на основе каркаса. Их масса, по сравнению с каменными домами невелика и загрузка фундамента недостаточна для компенсации касательных сил пучения.

При оттаивании грунт опускается, и фундамент оседает вместе с ним. Деформации грунта, как правило происходят неравномерно, действуя на разные части фундамента с различной силой (рис.1.1.1). С течением времени эти процессы могут приводить к перекосам конструкции, и разрушению фундамента, который был спроектирован или возведен с ошибками.

Рис. 1.1.1. Деформация фундаментов

А - величина просадки;б - величина пучения;в - величина бокового сдвига; У. П.Г. - уровень промерзания грунта;1 - просадка фундамента (А>Б);2 - выпучивание фундамента при заложении его подошвы выше У. П.Г. (А<Б+В1);3 - отрыв и выпучивание верхней части фундамента при заложении ниже У. П.Г. (А<В1);4 - боковой сдвиг фундамента; А - нагрузки на фундамент; Б - сопротивление грунта; В - вертикальные силы морозного пучения грунта; В1 - касательные силы морозного пучения грунта; Г - силы бокового давления.

Процесс промерзания грунта происходит сверху вниз, при этом граница между влажным и мерзлым грунтом опускается с некоторой скоростью, определяемой, в основном, погодными условиями. Влага, превращаясь в лед, увеличивается в объеме, вытесняя сама себя в нижние слои грунта, сквозь его структуру. Пучинистость грунта определяется также тем, успеет ли выдавливаемая сверху влага просочиться через структуру грунта или нет, хватит ли степени фильтрации грунта, чтобы этот процесс прошел с пучением или без него. Если крупнозернистый песок не создает влаге никакого сопротивления и она беспрепятственно уходит, то такой грунт не расширяется при замерзании (рис. 1.1.2).

Рис. 1.1.2. Грунт на границе промерзания

1. Песок; 2. Лед; 3. Вода; 4. Граница промерзания.

Что касается глины, то сквозь нее влага уйти не успевает, и такой грунт становится пучинистым. Кстати, грунт из крупнозернистого песка, помещенный в замкнутый объем, которым может оказаться скважина в глине, поведет себя как пучинистый (рис. 1.1.3).

Рис. 1.1.3. Песок в замкнутом объеме (пучинистый)

1 - Глина; 2 - УГВ; 3 - Граница промерзания; 4 - Песок+вода; 5 - Лед+песок; 6 - Песок

Именно поэтому траншею под мелкозаглубленными фундаментами заполняют крупнозернистым песком, позволяющим выровнять степень влажности по всему его периметру, сгладить неравномерность пучинистых явлений. Траншею с песком, если возможно, следует соединить с дренажной системой, отводящей верховодку из-под фундамента.

Наличие давления от веса строения также сказывается на проявлении пучинистых явлений. Если слой грунта под подошвой фундамента сильно уплотнить, то и степень пучинистости его уменьшится. Причем, чем больше будет само давление на единицу площади основания, тем больше будет объем уплотненного грунта под подошвой фундамента и меньше величина пучения.

Если фундамент под тем же домом с той же глубиной заложения выполнен столбчатым, то давление на грунт будет больше, его уплотнение будет сильнее, отчего подъем стен от промерзания грунта не превысит 2-3 см (рис. 1.1.4).

Рис. 1.1.4. Разница давлений под ленточным и столбчатым фундаментами

Главная причина коварства пучинистых грунтов - неравномерное пучение под одним строением.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Глубина промерзания определяется балансом мощности тепла, идущего из недр земли, с мощностью холода, проникающего в грунт сверху в холодное время года.

Если интенсивность тепла земли не зависит от времени года и суток, то на поступление холода влияют температура воздуха и влажность грунта, толщина снегового покрова, его плотность, влажность, загрязненность и степень прогрева солнцем, застройка участка, архитектура сооружения и характер его сезонного использования (рис. 1.1.5).

Неравномерность толщины снегового покрова наиболее ощутимо сказывается на разности в пучении грунта. Очевидно, что глубина промерзания будет тем выше, чем тоньше будет слой снежного одеяла, чем ниже будет температура воздуха и чем дольше продлится ее воздействие.

Рис. 1.1.5. Промерзание участка застройки.

Если ввести такое понятие, как морозопродолжительность (время в часах, умноженное на среднесуточную минусовую температуру воздуха), то глубину промерзания глинистого грунта средней влажности можно показать на графике (рис. 1.1.6).

Рис. 1.1.6. Зависимость глубины промерзания от толщины снегового покрова.

Если толстый слой снегового покрова укрывает землю, то граница промерзания поднимается вверх; при этом и днем, и ночью ее уровень сильно не меняется. При отсутствии снегового покрова ночью граница промерзания сильно опускается вниз, а днем, при солнечном прогреве, поднимается вверх. Разница ночного и дневного уровня границы промерзания грунта особенно ощутима там, где снеговой покров мал или вовсе отсутствует и где грунт сильно увлажнен. Наличие сооружения также влияет на глубину промерзания, ведь оно является своего рода теплоизоляцией.

Силы бокового сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента - другая сторона проявления пучинистых явлений. Эти силы весьма высоки и могут достигать 5-7 т на квадратный метр боковой поверхности фундамента. Подобные силы возникают, если поверхность столба неровная и не имеет гидроизолирующего покрытия. При таком крепком сцеплении мерзлого грунта с бетоном на столб диаметром 25 см, заложенный на глубину 1,5 м, будет действовать вертикальная выталкивающая сила до 8т.

Возьмем для примера опору столбчатого фундамента под легким домом. На пучинистом грунте глубина заложения опор выполняется на расчетную глубину промерзания (рис.1.1.7,А). При небольшом весе самого строения силы морозного пучения могут его поднять, и самым непредсказуемым образом.

Рис. 1.1.7. Подъем фундамента боковыми силами сцепления

А - столбчатый фундамент; Б - столбчато-ленточный фундамент по технологии ТИСЭ; 1 - Опора фундамента; 2 - Мерзлый грунт; 3 - Граница промерзания; 4 - Воздушная полость.

Ранней зимой граница промерзания начинает опускаться вниз. Мерзлый прочный грунт схватывает верхнюю часть столба мощными силами сцепления. Но кроме увеличения сил сцепления мерзлый грунт еще и увеличивается в объеме, отчего верхние слои грунта поднимаются, пытаясь выдернуть опоры из земли. Но вес дома и силы заделки столба в грунте не позволяют этого сделать, пока слой мерзлого грунта тонкий и площадь сцепления столба с ним невелика. По мере продвижения границы промерзания вниз, площадь сцепления мерзлого грунта со столбом увеличивается. Наступает такой момент, когда силы сцепления мерзлого грунта с боковыми стенками фундамента превышают вес дома. Мерзлый грунт вытаскивает столб, оставляя внизу полость, которая сразу же начинает заполняться водой и частицами глины. За сезон на сильно пучинистых грунтах такой столб может подняться на 5-10 см. Подъем опор фундамента под одним домом, как правило, происходит неравномерно. После оттаивания мерзлого грунта фундаментный столб самостоятельно на прежнее место, как правило, не возвращается.

С каждым сезоном неравномерность выхода опор из грунта увеличивается, дом наклоняется, приходя в аварийное состояние. "Лечение" такого фундамента - сложная и дорогая работа.

Эту силу можно уменьшить в 4-6 раз, сгладив поверхность скважины толевой рубашкой, вложенной в скважину до заполнения ее бетонной смесью.

Заглубленный ленточный фундамент может подняться таким же образом, если он не имеет гладкую боковую поверхность и не загружен сверху тяжелым домом или бетонными перекрытиями.

Основное правило для заглубленных ленточных и столбчатых фундаментов (без расширения внизу): возведение фундамента и загрузку его весом дома следует выполнить в один сезон.

Фундаментный столб, выполненный по технологии ТИСЭ (рис. 1.1.7,Б), не поднимается силами сцепления пучинистого мерзлого грунта благодаря нижнему расширению столба. Однако если не предполагается в этот же сезон загрузить, его домом, то такой столб должен иметь надежное армирование (4 прутка диаметром 10-12 мм), исключающее отрыв расширенной части столба от цилиндрической. Несомненные преимущества опоры ТИСЭ - высокая несущая способность и то, что его можно оставить на зиму без загрузки сверху. Никакие силы морозного пучения его не поднимут.

Боковые силы сцепления могут сыграть невеселую шутку с застройщиками, делающими столбчатый фундамент с большим запасом по несущей способности. Лишние фундаментные столбы действительно могут оказаться лишними.

Причина такого разрушения понятна. Если стены дома и веранды смогли своим весом компенсировать силы сцепления фундаментных столбов с мерзлым грунтом, то легким балкам перекрытия это было не под силу.

Существенно уменьшить либо количество центральных фундаментных столбов, либо их диаметр. Силы сцепления можно было бы уменьшить, обернув фундаментные столбы несколькими слоями гидроизоляции (толь, рубероид) или создав прослойку из крупнозернистого песка вокруг столба. Избежать разрушения можно было бы и через создание массивной ленты-ростверка, соединяющей эти опоры. Другой способ уменьшить подъем таких опор - заменить их на мелкозаглубленный столбчатый фундамент (рис 1.1.8).

Рис. 1.1.8. Разрушения балки пола веранды силами сцепления мерзлого грунта

Выдавливание - наиболее ощутимая причина деформации и разрушения фундамента, заложенного выше глубины промерзания. Оно обязано суточному прохождению границы промерзания мимо нижней опорной плоскости фундамента, которое совершается значительно чаще, чем подъем опор от боковых сил сцепления, имеющих сезонный характер.

Чтобы лучше понять природу этих сил, мерзлый грунт представим в виде плиты. Дом или любое другое строение зимой оказывается надежно вмороженным в эту камнеподобную плиту.

Основные проявления этого процесса видны весной. У стороны дома, обращенной на юг, днем достаточно тепло (в безветрие можно даже загорать). Снеговой покров стаял, а грунт увлажнился весенней капелью. Темный грунт хорошо поглощает солнечные лучи и прогревается. В звездную ночь ранней весной особенно холодно (рис. 1.1.9). Грунт под свесом крыши сильно промерзает. У плиты мерзлого грунта снизу вырастает выступ, который мощью самой плиты сильно уплотняет грунт под собой за счет того, что влажный грунт при замерзании расширяется. Силы подобного уплотнения грунта огромны.

Рис. 1.1.9.Плита мерзлого грунта ночью

Плита мерзлого грунта толщиной 1,5 м размерами 10x10 м будет весить более 200 т. Примерно с таким усилием и будет уплотняться грунт под выступом. После подобного воздействия глина под выступом "плиты" становится очень плотной и практически водонепроницаемой. Наступил день. Темный грунт у дома особенно сильно прогревается солнцем (рис. 1.1.10).

Рис. 1.1.10.Плита мерзлого грунта днем

С повышением влажности увеличивается и его теплопроводность. Граница промерзания поднимается (под выступом это происходит особенно быстро). С оттаиванием грунта уменьшается и его объем, грунт под опорой разрыхляется и по мере оттаивания падает под собственным весом пластами. Образуется множество щелей в грунте, которые заполняются сверху водой и взвесью глинистых частиц. Дом при этом удерживается силами сцепления фундамента с плитой мерзлого грунта и опорой по остальному периметру.

С наступлением ночи полости, заполненные водой, замерзают, увеличиваясь в объеме и превращаясь в так называемые "ледяные линзы". При амплитуде поднятия и опускания границы промерзания за одни сутки в 30-40 см толщина полости увеличится на 3-4 см. Вместе с увеличением объема линзы будет подниматься и наша опора. За несколько таких дней и ночей опора, если она не сильно загружена, поднимается порой на 10-15 см, как домкратом, опираясь на весьма сильно уплотненный грунт под плитой.

Возвращаясь к нашей плите, заметим, что ленточный фундамент нарушает целостность самой плиты. По боковой поверхности фундамента она разрезана, т. к. битумная обмазка, которой она покрывается, не создает хорошего сцепления фундамента с мерзлым грунтом. Плита мерзлого грунта, создавая своим выступом давление на грунт, сама начинает подниматься, а зона разлома плиты - раскрываться, заполняться влагой и частицами глины. Если лента заглублена ниже глубины промерзания, то плита поднимается, не беспокоя сам дом.

Если же глубина заложения фундамента выше глубины промерзания, то давление мерзлого грунта поднимает фундамент, и тогда его разрушение неизбежно (рис. 1.1.11).

Рис. 1.1.11. Плита мерзлого грунта с разломом по ленте фундамента.

Интересно представить плиту мерзлого грунта, перевернутую вверх дном. Это относительно ровная поверхность, на которой ночью в некоторых местах (где нет снега) вырастают холмы, которые днем превращаются в озера. Если же теперь вернуть плиту в исходное положение, то как раз там, где были холмы, и создаются в грунте ледяные линзы. В этих местах грунт ниже глубины промерзания сильно уплотнен, а выше, наоборот, разрыхлен. Это явление происходит не только на площадях застройки, но и в любом другом месте, где присутствует неравномерность в прогреве грунта и в толщине снегового покрова. Именно по такой схеме в глинистых грунтах возникают ледяные линзы, хорошо известные специалистам. Природа возникновения глинистых линз в песчаных грунтах такая же, но протекают эти процессы существенно дольше.

Подъем фундаментного столба мерзлым грунтом осуществляется при ежесуточном прохождении границы промерзания мимо его подошвы. Вот как этот процесс происходит: до того момента, пока граница промерзания грунта не опустилась ниже опорной поверхности столба, сама опора неподвижна (рис. 1.1.12,А). Как только граница промерзания опускается ниже подошвы фундамента, "домкрат" пучинистых процессов сразу включается в работу. Пласт мерзлого грунта, находящегося под опорой, увеличившись в объеме, поднимает ее (рис. 1.1.12,Б). Силы морозного пучения в водонасыщенных грунтах весьма высоки и достигают 10-15 т/м2. С очередным прогревом пласт мерзлого грунта под опорой оттаивает и уменьшается в объеме на 10%. Сама опора удерживается в поднятом положении силами своего сцепления с плитой мерзлого грунта. В образовавшийся зазор под подошвой опоры просачивается вода с частицами грунта (рис. 1.1.12,В). Со следующим понижением границы промерзания вода в полости замерзает, а пласт мерзлого грунта под опорой, увеличиваясь в объеме, продолжает подъем фундаментного столба (рис. 1.1.12,Г).

Рис. 4.12 Подъем фундаментного столба пучинистым грунтом. 1. Лента ростверк, 2. Фундаментный столб, 3. Мерзлый грунт, 4. А, В - Верхний уровень границы промерзания, 5. Б, Г - Нижний уровень границы промерзания, 6. Смесь воды и глины, 7.Смесь льда и глины.

Глина грунт морозный пучение

Следует обратить внимание на то, что этот процесс подъема опор фундамента имеет ежесуточный (многократный) характер, а выдавливание опор силами сцепления с мерзлым грунтом - сезонный (один раз за сезон).

При большой вертикальной нагрузке, приходящейся на столб, грунт под опорой, сильно уплотненный давлением сверху, становится слабопучинистым, да и вода из-под самой опоры в процессе оттаивания мерзлого грунта выжимается сквозь тонкую его структуру. Поднятия опоры в этом случае практически не происходит.

Фундаменты приходится защищать от многих видов воздействия и другого характера: проникновения сквозь стены подвалов грунтовых и ливневых вод, кислой агрессивной среды, характерной для российских почв (по этой причине нельзя класть в грунт силикатный кирпич и другие щелочные материалы). При любых грунтах без специальных инженерных мероприятий нельзя строить на косогорах, поскольку возможно сползание грунта вместе с погруженными в него фундаментами; на вечномерзлых грунтах, которые могут с течением времени поглотить дом целиком, растаивая под воздействием его тепла; в сейсмо-опасных районах; местах схода лавин и селей; в прибрежных районах с ураганными ветрами. Ширина фундаментных стен назначается по конструктивным соображениям, и их прочность на сжатие обычно на порядок выше возможных вертикальных нагрузок от наземной части зданий, а вот прочность и сопротивление опрокидыванию при боковом давлении, создаваемом колесным автотранспортом, требует проверочных расчетов. В связи с этим фундамент должен быть достаточно массивным, либо развитым в толщину, либо снабжаться ребрами, либо иметь достаточно частое положение поперечных стен.

Состояние изученности вопроса

Влияние морозного пучения на устойчивость инженерных сооружений

Похожие статьи