Криогенные процессы пучения

1

3. Криогенное пучение грунтов и его воздействия на сооружения

Процессы пучения обусловливают объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. При замерзании насыщенная водой масса значительно увеличивается в объеме, начинает давить на находящиеся в грунте конструкции и выталкивать их из земли.

Напряженно-деформированное состояние грунта при морозном пучении обусловливает недопустимые перемещения и серьезные повреждения промышленно-гражданских зданий, гидротехнических, мелиоративных сооружений, разрушение покрытий автомобильных дорог и аэродромов, искривление рельсо-шпальной решетки железнодорожной колеи, смещение опор мостов, линий электропередач, трубопроводов и других инженерных сооружений. Особенно широко деформации сооружений имеют место в районах глубокого сезонного промерзания грунтов, а также на территории с многолетнемерзлыми породами, где в условиях преимущественного распространения сильнопучинистых пылеватых грунтов воздействующие на сооружения силы пучения достигают значительных величин (Рекомендации…, 1986).

В дорожной практике морозное пучение грунтов приводит к образованию так называемых пучин, т.е. локальных взбугриваний земляного полотна, под которыми нередко понимают не только деформации грунтов при зимнем промерзании, но и потерю ими несущей способности весной вследствие осадки и переувлажнения оттаивающего грунта - основания.

Деформации криогенного пучения - результат воздействия на конструкцию так называемых нормальных и касательных сил. Первые возникают под подошвой фундамента в результате замерзания и увеличения объема пучинистого грунта, вторые - из-за вертикального смещения грунта, примерзшего к боковым поверхностям фундамента или к стенам подвала. Кроме того, увеличившийся в объеме замерзший грунт начинает давить перпендикулярно поверхности стен подвалов, вызывая деформацию фундаментов в горизонтальном направлении.

.

1

4. Мероприятия по предупреждению морозного пучения грунтов оснований и выпучивания фундаментов

Противопучинные мероприятия для зданий и сооружений назначаются в том случае, если устойчивость сооружения, рассчитываемая на действие сил пучения, не обеспечивается нагрузкой от сооружения и силами заанкеривания фундамента в талых или мерзлых грунтах, а также в случае необходимости уменьшения деформаций пучения или их полной ликвидации (Рекомендации…, 1986).

Возможны противопучинные мероприятия следующих видов: инженерно-мелиоративные (тепломелиорация и гидромелиорация); строительно-конструктивные; физико-химические (засоление, гидрофобизация грунтов и др.); комбинированные.

Тепломелиорация сводится к созданию в грунте в период промерзания температурного градиента горизонтального направления, что позволяет: уменьшить или устранить промерзание грунта; повысить температуру мерзлого грунта, уменьшая тем самым значения касательных сил пучения; снизить интенсивность пучения грунта вследствие развития миграции влаги в сторону от фундамента.

В качестве мероприятий тепловой мелиорации проводят устройство термолокализаторов - теплоизоляционного слоя, обеспечивающих местное утепление грунта фундамента посредством теплоизоляции.

Гидромелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов, зависят от условий источника увлажнения, рельефа местности и геологических особенностей грунта, характеризуемых их фильтрационной способностью. Эти мероприятия сводятся: к понижению уровня грунтовых вод и осушению грунтов в пределах сезонномерзлого слоя; к предохранению грунтов от насыщения поверхностными (атмосферными и производственными) водами.

Осушение грунтов строительной площадки за счет понижения УПВ осуществляется посредством устройства водосборных канав, лотков, траншей (открытого и закрытого типа), дренажей (мелкого и глубокого заложения), дренажных песчаных прослоек и т.п.

Строительно-конструктивные противопучинные мероприятия предусматривают повышение эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в морозоопасных грунтах. Эти мероприятия предназначаются: для снижения величины усилий, выпучивающих фундаменты; для заанкеривания фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже СТС или СМС; для приспособления фундаментов и надземной части сооружения к неравномерным деформациям пучинистых грунтов.

С целью снижения величины касательных сил пучения рекомендуется: проектировать сооружения на столбчатых и свайных фундаментах; уменьшать количество отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору; уменьшать сечение столбчатых фундаментов и свай в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта; устраивать у железобетонных фундаментов наклонные боковые грани (до 1 - 2°), обеспечивающие в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта увеличение сопротивления фундамента действию касательных сил пучения.

Физико-химические мероприятия стабилизации морозоопасных промерзающих грунтов, применяемые в настоящее время в основном сводятся: к специальной обработке грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким и теряет свои пучинистые свойства; к насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта

Гидрофобизация грунтов, т.е. придание грунту водоотталкивающих свойств, производится посредством обработки его небольшим количеством вяжущего.

В качестве вяжущего могут применяться: жидкие нефтяные битумы, жидкие каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурфурол-анилиновые смолы* и другие материалы.

Засоление грунтов относится к противопучинным мероприятиям кратковременного действия (срок действия 1 - 2 года), если грунты не защищены от воздействия поверхностных и грунтовых вод. Наиболее пригодны для засоления грунты малыми коэффициентами фильтрации. Засоление песчаных и супесчаных грунтов нецелесообразно вследствие быстрого вымывания из них солей. При строительстве по принципу использования грунтов основания в мерзлом состоянии засоление грунтов деятельного слоя не рекомендуется во избежание нарушения температурного режима основания.

Дня засоления грунтов применяют хлористый натрий, кальций и магний. Наиболее эффективными солями считаются хлористый натрий и кальций, понижающие температуру замерзания ниже - 20°С.

Перспективным физическим методом борьбы с морозным пучением грунтов может быть метод стабилизации грунтов посредством введения в них добавок противопучинных компенсирующих веществ (ПКД), обладающих определенными объемно-деформационными свойствами. Применение ПКД способно компенсировать пучение грунта при замерзании и его просадочность при оттаивании.

В качестве ПКД могут быть использованы полимеры следующих групп:

1) жесткие полимеры, имеющие большой коэффициент объемного расширения, изменяющие свой объем в соответствии с изменением температуры окружающего грунта;

2) высокоэластичные полимеры (типа резин), способные обратимо деформироваться при многократно действующем периодическом давлении;

3) полимеры, обладающие одновременно свойствами соединений первой и второй групп.

1

Заключение

Криогенное пучение влияет на литогенез мерзлых отложений, на особенности рельефа и микрорельефа области распространения мерзлых пород , в силу своей динамичности развития существенно воздействуют на инженерные сооружения.

Недоучет морозного пучения грунтов в строительстве, а также несвоевременное назначение противопучинных мероприятий наносят огромный ущерб народному хозяйству: снижают сроки и ухудшают условия эксплуатации сооружений, вызывают непроизводительные затраты труда, строительных материалов и финансовых средств.

Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих грунтов на фундаменты и конструкции зданий и сооружений (что сопряжено с оценкой деформаций и сил морозного пучения) является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов.

1

Список литературы

1.             Каплянская Ф.А., Тарноградский В.Д. Средний и нижний плейстоцен низовий Иртыша. – Л.: Недра, 1974. – 160 с.

2.             Кудрявцев В.А., Гарагуля Л.С., Кондратьева К.А., Романовский Н.Н., Максимова Л.Н., Чижов А.Б. Методика мерзлотной съемки. – М.: Изд-во МГУ, 1979. – 358 с.

3.             Мельников В.П., Федоров К.М, Вольф А.А., Спесивцев В.И. Анализ возможного сценария образования природных ледяных бугров на шельфе Печерского моря // Криосфера Земли. – 1998. –Т. II, № 4. – С. 51–57.

4.             Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. - М. : Стройиздат, 1986. - 72 с.

5.             Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы. – М.: МГУ, 1993. – 335 с.

6.             Тютюнов И.А. Фазовые превращения воды в грунтах, природа ее миграции и пучения // Доклады на межд. конф. по мерзлотоведению. – М.: Изд-во АН СССР, 1963. – С. 71–80.

1