doc_act

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Реклама

  Скачать документ



ФГУП ПНИИИС ГОССТРОЯ РОССИИ

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОЧНОСТИ МЕРЗЛЫХ
ГРУНТОВ С МОРСКИМ ТИПОМ ЗАСОЛЕНИЯ

Москва, 2001 г.

Приведена методика определения прочности засоленных мерзлых песчано-глинистых грунтов, их фазового состава, расчетных значений прочностных характеристик мерзлых грунтов с морским типом засоления и примеры расчета несущей способности свай в подобных грунтах.



Реклама

Табл. 7, ил. 5, список лит...- 17 назв.

Предназначены для проектно-изыскательских и строительных организаций.

Рекомендации составлены сотрудниками ФГУП ПНИИИС к. т. н. В.И. Аксёновым (отв. исп.) при участии д. г. м. н. Г.И. Дубикова, к. г. м. н. Н.В. Ивановой, к. т. н. И.В. Шейкина, зав. группы Г.И. Клиновой.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 1

1. Общие положения. 2

2. Региональная характеристика мерзлых грунтов с морским типом засоления. 3

3. Методика определения прочности засоленных мерзлых грунтов. 5

3.1. Общие требования к испытаниям.. 5

3.2. Подготовка образцов к испытаниям.. 5

3.3. Испытание шариковым штампом.. 6

3.4. Испытание на одноосное сжатие. 7

3.5. Срез по поверхности смерзания. 8

4. Фазовый состав и температура замерзания засоленных грунтов. 9

5. Критерии засоленности и состояния мерзлых грунтов. 11

6. Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик засоленных мерзлых грунтов. 12

7. Примеры расчета несущей способности сваи в засоленных мерзлых грунтах. 17

ВВЕДЕНИЕ

Многолетнемерзлые грунты, характеризующиеся морским типом засоления, занимают обширные территории Арктического побережья России. Особенности физико-механических свойств этих грунтов определяют специфические требования к изысканиям и проектированию сооружений на таких грунтах.

Использование накопленного опыта изысканий, проектирования и строительства на засоленных мерзлых грунтах имеет первостепенное значение. Вместе с тем, такой опыт слабо освещен в периодической отечественной и зарубежной литературе, а региональные особенности засоленных мерзлых грунтов Арктического побережья не получили должного отражения в нормативных или инструктивных материалах.



Реклама

В настоящих рекомендациях рассматриваются возможность применения стандартных лабораторных методов к испытаниям засоленных мерзлых грунтов, даны таблицы уточненных нормативных и расчетных значений прочности мерзлых песчано-глинистых грунтов с морским типом засоления, а также примеры использования данных таблиц при расчетах несущей способности свай в таких грунтах.

При подготовке рекомендаций систематизирован и проанализирован обширный фактический материал по исследованиям физико-механических свойств мерзлых песчано-глинистых четвертичных отложений п-ова Ямал и Югорского п-ова, содержащийся в многочисленных научных и технических отчетах и публикациях по итогам работ за последний тридцатипятилетний период. Основой для рекомендаций послужили результаты полевых исследований и лабораторных испытаний засоленных мерзлых грунтов на прочность, изложенные в работах Ю.Я. Велли (1973), В.И. Аксенова (1980), Яркина А.Н. (1986), Брушкова А.В. (1998) и научно-технических отчетах ПНИИИС, а также методические разработки ЛенЗНИИЭП, ПНИИИС и НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.

В рекомендациях учтены замечания и предложения, сделанные по первой редакции документа геологическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова, Фундаментпроектом, Ленаэропроектом, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, МГСУ им. В.В. Куйбышева и Институтом мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СОРАН.

Авторы выражают благодарность администрации Надымгазпрома, работникам ВНИИГАЗа, Ленгипротранса, Южниигипрогаза за помощь и содействие в проведении полевых исследований по этой актуальной для практики проблеме. Экспедиционные и экспериментальные полевые и лабораторные исследования, сбор материалов, использованных при подготовке настоящих Рекомендаций, и их опубликование оказалось возможным благодаря финансовой поддержке ООО «ВНИИГаз».

Авторы признательны главному научному руководителю по проблемам освоения Ямала ООО «ВНИИГаз» д.т.н. проф. Одишария Г.Э. за поддержку в разработке Рекомендаций.



Реклама

Авторы выражают благодарность бывшим сотрудникам Андерминской мерзлотной станции д.г-м.н. Брушкову А.В., инженерам Николаеву А.А., Петрухину Ю.С., Цыбиной Н.Ф., Ленинских Г.В. за участие в экспериментальных исследованиях.

Просьба замечания и предложения присылать по адресу: 105187, Москва, Окружной пр., 18, ФГУП ПНИИИС.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Несущую способность мерзлых грунтов (Fи) оснований столбчатых фундаментов и свай определяют по значениям расчетных давлений (R) и сопротивлений сдвигу (Raf), получаемых по данным полевых и лабораторных испытаний грунтов для выделенных инженерно-геологических элементов.

Для расчета оснований сооружений нормального уровня ответственности (массовое строительство), возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям (ГОСТ 27751-88), расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов R, Raf допускается принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными, приведенными в рекомендуемом приложении 2 к главе СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

1.2. Обработка и анализ опытных данных по прочностным характеристикам основных разновидностей засоленных грунтов, полученных ПНИИИС, ЛенЗНИИЭП, МГУ, позволили установить, что прочность мерзлых грунтов существенно зависит от величины и типа их засоленности, а также температуры. В результате были разработаны таблицы расчетных значений R и Raf, для грунтов с морским типом засоления, которые существенно отличаются от рекомендуемых СНиП 2.02.04-88.



Реклама

1.3. Для оценки достоверности полученные в лабораторных условиях значения характеристик прочности засоленных мерзлых грунтов были сопоставлены нами с данными полевых испытаний свай, установленных в мерзлых грунтах с аналогичным типом засоления. Сопоставление лабораторных данных определений прочности с данными полевых испытаний свай показало их удовлетворительную сходимость (расхождения составили не более 10 %).

В то же время, расхождение величин несущей способности опытных свай с расчетом СНиП 2.02.04-88 достигает 50 %. Это обусловило необходимость разработки предлагаемых ниже новых таблиц прочностных свойств мерзлых грунтов с морским типом засоления.

1.4. Данные предлагаемых таблиц отражают региональные особенности исследованных грунтов и предназначены для использования в изыскательской и проектной практике при освоении арктических районов. В них учитывается вид грунта, его влажность, льдистость, засоленность и температура.

1.5. Эти таблицы по сравнению с действующим СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» «расширены» в диапазоне температур от -1 до -8 ° и засоленностей от 0 до -1,5 % и рекомендуются как дополнение в СНиП 2.02.04-88 и СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть I. Общие правила производства работ».

1.6. Данные таблиц применимы для грунтов с морским (хлоридным) типом засоления, которые распространены на арктических островах, вдоль побережья и на шельфе арктических морей Российской Федерации (северные районы Мурманской, Архангельской и Тюменской областей, Красноярского края, Якутии-Саха, Магаданской области).



Реклама

1.7. Рекомендуемые значения расчетного давления R на мерзлые засоленные грунты под торцом сваи или подошвой столбчатых фундаментов рассчитаны для глубины погружения d1 = 4 м. Для других глубин значения следует скорректировать на DR = ?f (d2- d1), где ?f - средняя плотность вышележащего грунта, d2 - глубина погружения торца сваи или подошвы фундамента.

2. РЕГИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ С МОРСКИМ ТИПОМ ЗАСОЛЕНИЯ

2.1. Засоленные мерзлые грунты занимают большие пространства на Арктическом побережье России (рис. 1) и прибрежных участков арктических морей. Засоление отмечается в четвертичных отложениях морского, гляциально-морского и аллювиально-морского генезиса и относится к морскому типу. Засоленные породы представлены разнообразными по составу грунтами от песков до тяжелых глин.

2.2. Распространение засоленных грунтов определяется тремя факторами: развитием морских четвертичных трансгрессий, когда отложения пропитывались солеными иловыми водами, последующим промерзанием отложений после отступания моря и возможным рассолением верхнего горизонта морских пород при их оттаивании в эпохи потеплений климата.

2.3. Засоление охватывает породы криогенной толщи на всю мощность. Верхняя часть засоленной толщи мощностью до 150 - 200 м и больше на побережье находится в мерзлом состоянии, а нижняя, мощностью 100 - 250 м - в охлажденном состоянии. На шельфе засоленная криогенная толща имеет сложное строение; она представлена современными и древними мерзлыми породами мощностью до 20 - 50 м, залегающими на разных глубинах от дна в виде отдельных массивов среди охлажденных грунтов с отрицательной температурой.

2.4. Грунты с морским типом засоления имеют хлоридный состав поровых растворов, близкий к составу морской воды и иловых вод современных морских осадков. Количество хлорида натрия в засоленных мерзлых грунтах Арктического побережья составляет 75 - 90 % от общего содержания солей.



Реклама

2.5. Содержание легкорастворимых солей в засоленных мерзлых грунтах может достигать до 5 % от массы сухого грунта. На побережье засоление наблюдается в - грунтах, залегающих ниже сезонноталого слоя, или ниже горизонта континентальных пород и пород, подвергшихся рассолению при протаивании в периоды потепления климата. Распределение солей по разрезу мерзлой толщи зависит главным образом от литологического состава пород, фациальных условий их формирования и глубины залегания. Глинистые породы содержат солей, как правило, в 2 - 10 раз больше, чем песчаные, за исключением песчаных горизонтов с криопэгами, в которых за счет криогенного концентрирования количество солей возрастает в 5 - 20 раз.


Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления


Максимальное содержание солей характерно для грунтов морской лайды, пляжа и устьевых частей рек, заливаемых в нагоны и приливы морской водой. Засоленность грунтов составляет здесь в среднем более 1 %, а в отдельных горизонтах до 3 - 5 %. В этих же районах в разрезах наиболее часто присутствуют горизонты охлажденных глинистых грунтов и горизонты песчаных грунтов с криопэгами. В плейстоценовых морских отложениях степень засоления в среднем снижается в 1,5 - 2 раза. В разрезах морских четвертичных террас прослеживается увеличение засоления с глубиной в слое годовых колебаний температуры.

На шельфе засоленность донных грунтов определяется в первую очередь их состоянием: в охлажденных грунтах она составляет в среднем 0,5 - 1,5 %, в мерзлых - не превышает 0,3 - 0,6 %. Для мелководья, особенно для зоны смерзания донных грунтов с припайным льдом, отмечается повышение минерализации поровых растворов в верхних слоях донных грунтов в 1,5 - 2 раза.

В отличие от морского засоления мерзлых грунтов, другие типы засоления (континентальное, техногенное) могут характеризоваться иным составом поровых растворов (сульфатным, гидрокарбонатным) и, соответственно, другими показателями прочностных характеристик.



Реклама

Хлоридное засоление в наибольшей степени понижает температуру начала замерзания и прочность мерзлых грунтов по сравнению с сульфатным и гидрокарбонатным. Поэтому для регионов с неморским засолением мерзлых грунтов разработанные рекомендации применимы ограниченно.

При экспериментальных исследованиях прочностных свойств были выбраны наиболее типичные для Арктического побережья засоленные мерзлые грунты: песок мелкий, песок пылеватый, супесь, суглинок легкий, суглинок тяжелый, глина.

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

3.1. Общие требования к испытаниям

3.1.1. Лабораторные испытания засоленных мерзлых грунтов проводятся с целью определения: кратковременной прочности на одноосное сжатие - ?о, длительной прочности - ?дл., эквивалентного сцепления Ceq (шариковый штамп), сопротивления сдвигу или срезу при смерзании - ?см (сдвиговые приборы).

3.1.2. Выбирать методы и приборы для проведения лабораторных испытаний следует, исходя из наличия и конструкции холодильных камер, возможности размещения в них необходимых приборов, длительности испытания грунтов, а также обеспечения заданной отрицательной температуры.

3.1.3. Состав определяемых характеристик засоленных мерзлых грунтов устанавливается заданием или программой на инженерные изыскания.



Реклама

3.1.4. Испытания грунтов производят на образцах ненарушенного сложения, либо в соответствии с техническим заданием на образцах нарушенного сложения.

3.1.5. Допускаемые отклонения от заданной для испытания температуры в диапазоне от -1 до -4 °С могут составлять не более ± 0,2 °С, а в диапазоне от -5 до -8 °С - не более ± 0,5 °С.

3.1.6. Для предохранения образцов мерзлых засоленных грунтов от выветривания и потери исходной влажности и засоленности используют эластичную резину, полиэтиленовую пленку, различные гидрофобные обмазки, обкладку снегом.

3.1.7. Приборы и оборудование, используемые в лаборатории для испытания засоленных грунтов, должны иметь надежные антикоррозийные покрытия и требуют тщательного ухода после каждой серии испытаний.

3.1.8. Общим требованием является обязательная тарировка приборов при заданной отрицательной температуре. Вносимые в камеру и используемые в опыте приспособления (штампы, обоймы, измерительные устройства) должны заранее выстаиваться при отрицательной температуре.

3.1.9. При испытании засоленных мерзлых грунтов обязательно выполнение требований ГОСТ 12248-96 на методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости мерзлых грунтов, а также других документов (Руководство ..., 1973).

3.2. Подготовка образцов к испытаниям

3.2.1. Отбор образцов грунтов из скважин и горных выработок, упаковка и транспортировка монолитов ненарушенного сложения для последующих испытаний должны производиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12071-72. Недопустимо даже кратковременное растепление и оттаивание грунтов, приводящее к изменению их криогенной текстуры и перераспределению влаги.

3.2.2. Образцы нарушенного сложения готовятся из отобранного для испытаний грунта, который высушивается до воздушно-сухого состояния, измельчается, просеивается через сито 1 мм, тщательно перемешивается и из которого методом квартования отбираются средние пробы.

Подготовленный сухой грунт замешивается с раствором морской соли или NaCl определенной концентрации. Количество безводной соли рассчитывается, исходя из навески сухого грунта и требуемой засоленности. Объем воды назначается, как правило, исходя из влажности грунта на пределе текучести или полной влагоемкости.

Полученная грунтовая паста перед укладкой в обоймы выдерживается в течение 1 - 2 суток в эксикаторах.

3.2.3. При изготовлении образцов массивной криогенной текстуры рекомендуется способ интенсивного промораживания грунтовой пасты или грунта в обоймах при низкой температуре (-20 ? -30 °С); затем образцы переносят в камеру с температурой испытания, где они выстаиваются до этой температуры.

Для получения образцов с повышенной льдистостью, но однородных по плотности и текстуре предлагается способ, включающий предварительное охлаждение грунта в металлическом сосуде, ручное его перемешивание для равномерного распределения в массе образующихся кристаллов льда и дальнейшее промораживание грунта. Набивка обойм осуществляется загустевшим грунтом, последующее домораживание грунта в обоймах проводится при заданной температуре и нагрузке (например, ? = 0,05 МПа). Образец считается готовым к испытаниям после затухания деформаций (осадка или пучение в течение 3 - 7 суток).

3.2.4. Изготовление образцов с необходимой криогенной текстурой (слоистой или сетчатой) достигается за счет варьирования влажностью, температурой и положением фронта промерзания. Для получения текстурированных образцов обоймы с грунтом помещают в гнезда контейнера из теплоизоляционного материала и обеспечивают промораживание с торцевых сторон.

3.2.5. После промораживания в течение 3 - 4 суток образцов глинистого грунта их извлекают из обойм, производят тщательную зачистку торцов, обмер габаритов, взвешивание и маркировку. При необходимости их сохранения в течение 5 - 10 суток их упаковывают в двойной слой полиэтиленовой пленки, укладывают в ящик со снегом и хранят в холодильной камере при температуре испытания.

3.2.6. Полное влагонасыщение образцов песка можно осуществить методом восходящей подпитки раствором. Для этого в обойме сверлят отверстие. Обоймы собираются обычным способом (пористый штамп и фильтр в нижней части). В обойму засыпают сухой песок, слегка уплотняют и погружают в сосуд, содержащий раствор соли требуемой концентрации. Напор должен быть равен высоте обоймы. Появление влаги на поверхности грунта в различных образцах происходит через 7 - 20 мин. Далее грунт в обоймах промораживается при температуре Т = -20 ° -30 °С, что обеспечивает равномерное распределение влаги и солей по объему образца.

3.2.7. Образцы грунта с массивной криогенной текстурой, предназначенные для испытания на одноосное сжатие, должны иметь форму цилиндра диаметром 45 - 50 мм и высотой 100 мм, для испытания же шариковым штампом и на сдвиг цилиндры должны иметь диаметр 71,4 и высоту 35 - 40 мм.

3.2.8. Необходимо вести контроль влажности и засоленности до опытов и после испытания. Засоленность можно контролировать с помощью кондуктометрического солемера по концентрации соли в водной вытяжке.

3.2.9. Для контроля идентичности изготовляемых образцов в каждой серии могут быть привлечены геофизические методы (например, 2-х электродное измерение электрического сопротивлений или измерение скорости прохождения упругих волн).

3.3. Испытание шариковым штампом

3.3.1. Для определения нормативного сопротивления мерзлого груша нормальному давлению используют характеристику эквивалентного сцепления Ceq, получаемую из испытаний грунта шариковым штампом. Этот метод применим для песчано-глинистых разновидностей засоленных мерзлых грунтов с массивной, мелкосетчатой и тонкослоистой криогенной текстурой в диапазоне температур от Т = Тbf + (-1 °С) до Т ? -10 °С (Тbf - температура замерзания грунта). Метод не применим для мерзлых крупнообломочных грунтов, крупных песков и других льдистых грунтов (ii > 0,4), в которых толщина видимых включений льда соизмерима с диаметром отпечатка шарика. Диаметр шарика в этом случае должен быть больше толщины ледяного шлира в 10 раз; если это условие нарушается, то используют шарик больших размеров.

3.3.2. Предусматривается проведение 6-ти параллельных 8-ми часовых испытаний образцов; 2 - 3 из них продолжают в качестве длительных на период до полной стабилизации осадки.

3.3.3. Для лабораторных испытаний засоленных мерзлых грунтов диаметр шарикового штампа рекомендуется брать равным или больше 2,3 см.

3.3.4. Величина нагрузки F на шариковый штамп назначается путем подбора так, чтобы осадка штампа S за выбранный интервал времени лежала в следующих пределах (Аксенов, 1990):

S15 = (0,005 ? 0,02) db;

S8 = (0,02 ? 0,04) db; (1)

Sb = (0,05 ? 0,10) db.

гдеS15 - осадка за период 15 минут;

S8- осадка за период 8 часов;

Sb- осадка за период стабилизации;

db- диаметр шарика, см.

Если при принятой нагрузке F осадка S превышает рекомендуемое значение, то F следует уменьшить, и наоборот.

3.3.5. Предельно длительное значение эквивалентного сцепления определяют по формуле:

(2)

где F - нагрузка на шариковый штамп, кН,

db - диаметр шарика, см,

Sb- глубина погружения штампа в грунт в конце испытания, см,

К - коэффициент, равный 1, если достигнута стабилизация осадки. При ускоренном испытании засоленных и мерзлых грунтов К < 0,8 и уточняется экспериментально.

3.3.6. Для расчетов величины Ceq по данным 8-ми часовых испытаний () можно пользоваться переходным коэффициентом К к формуле . При этом величины этого коэффициента для засоленных песков находятся в пределах 0,35 - 0,6 и глинистых грунтов 0,55 - 0,7. Длительность испытания этим методом, включая уточнение величины К, может достигать 15 - 30 суток.

3.4. Испытание на одноосное сжатие

3.4.1. Способ испытания образцов мерзлого грунта на одноосное сжатие является прямым способом определения нормативного сопротивления нормальному давлению ?н.дл. и применим для испытания засоленных мерзлых грунтов. Толщина прослоек льда в образце не должна быть более 2 мм, а льдистость - не превышать 0,4. Шлиры льда должны быть распределены в образце равномерно.

Метод применим в диапазоне температур от Тbf + (-1 °С) до Т = -10 °С

3.4.2. Нагрузку на образец прикладывают плавно, увеличивая ее равными ступенями нагружения. На каждой ступени осевое напряжение в образце должно быть постоянным, а продолжительность действия каждой ступени нагружения должна составлять 24 часа (для пластичномерзлых засоленных грунтов трое суток). На каждой ступени нагружения периодически регистрируют величины деформаций образца.

Испытание продолжают до тех пор, пока процесс деформирования образца не перейдет в стадию незатухающей ползучести или относительная продольная деформация образца достигнет 0,2 (длительность испытаний может составлять от 10 до 30 суток).

Предельно длительное значение прочности на одноосное сжатие Rс у засоленного грунта вычисляют по формуле:

(3)

где ?k-1 - напряжение в образце грунта на стадии, предшествующей k-й ступени, на которой процесс деформирования образца переходит в стадию незатухающей ползучести.

3.4.3. Помимо требования к параллельности торцов образца приборы для сжатия должны обеспечивать строго вертикальную передачу нагрузки на образец, что может быть обеспечено за счет применения направляющих или приспособлений, исключающих перекос образцов под нагрузкой.

3.4.4. Результаты сравнения мгновенной ?о и длительной ?дл. прочности показали, что с увеличением засоленности мерзлого грунта соотношение ?о/?дл. увеличивается, а общепринятое соотношение для подбора напряжения ?i = i?o/n, где i - номер ступени испытаний и n = 10 справедливо лишь для слабозасоленных грунтов. Для грунтов с засоленностью от 0,2 % до 0,5 % может быть рекомендован шаг напряжений в интервале ?i - ?i-1 = (1/5 ? 1/30)?o, а при засоленности более 0,5 % в интервале ?i - ?i-1 = (1/30 ? 1/100)?o. При этом большим значениям засоленностей соответствуют большие значения «n».

3.4.5. В некоторых случаях у пластичномерзлых засоленных грунтов под нагрузкой не устанавливается стадия пластического течения вплоть до величины деформации 20 % и более от первоначальной высоты образца. Во всем диапазоне испытаний таких грунтов проявляется стадия затухающей ползучести, что не позволяет оценить величину длительной прочности. Расчет оснований представленных такими грунтами следует вести по деформации.

3.4.6. Длительность испытания образцов мерзлого грунта в твердомерзлом состоянии может составлять от нескольких часов до 10 - 20 суток. Для пластичномерзлых засоленных грунтов длительность испытания может достигать многих месяцев, что необходимо учитывать при планировании таких испытаний.

3.5. Срез по поверхности смерзания

3.5.1. Определение сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания с материалом фундамента Raf проводится в соответствии с ГОСТ 12248-96. Испытание образцов засоленного мерзлого грунта на срез можно проводить в одноплоскостных срезных приборах (конструкция Садовского А.В.) с фиксированной плоскостью среза.

3.5.2. Для испытаний используются мерзлые образцы нарушенного сложения, приготовленные из талого грунта. Образцы грунта и материала фундамента должны иметь форму цилиндра диаметром 71,4 мм и высотой 35 мм. К образцу грунта, (смерзшегося) с фрагментом фундамента прикладывается касательная нагрузка с одновременным приложением нормальной к плоскости среза сжимающей нагрузки от динамометра.

3.5.3. Образцы вида «грунт - материал» готовятся в рабочих кольцах срезного прибора в следующем порядке: в опорное кольцо помещается материал (стальная или бетонная плашка с размерами, соответствующими размерам кольца по высоте и диаметру), затем на него устанавливается рабочее кольцо срезного прибора, при этом между бортами колец выставляются разрезные металлические прокладки толщиной 1,4 мм для обеспечения зазора. Рабочее кольцо заполняется грунтом нарушенного сложения из талого монолита.

На поверхность грунта устанавливается штамп. Оба кольца при помощи металлических дисков - стяжек собираются на винтах в единую конструкцию.

Собранный образец выставляется в морозильную камеру на всестороннее промораживание при заданных температурах.

Через 1 - 2 суток выдержки при отрицательной температуре образцы устанавливаются в охлажденные срезные приборы и через рычажную систему задается первая ступень нагружения.

3.5.4. Значение первой касательной нагрузки Q1 и ступени последующего нагружения DQ, а также интервалы времени для снятия показаний приборов задаются в соответствии с рекомендациями ГОСТ 12248-96. Продолжительность действия каждой ступени нагружения составляет 24 часа.

3.5.5. Предельно-длительное значение сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания Raf определяется как наибольшее касательное напряжение, при котором еще происходит стабилизация деформации. За критерий стабилизации деформации принимается приращение ее, не превышающее 0,01 мм за 12 ч.

Испытание заканчивается, когда деформирование развивается с постоянной или увеличивающейся скоростью.

3.5.6. По результатам испытания строится график зависимости деформации грунта «1» во времени при различных значениях касательного напряжения, а также график зависимости скорости деформации от касательного напряжения ?. Точка перелома спрямленных кривых позволяет снять со второго графика опытную величину касательного напряжения ?оп. Предельно длительное значение сопротивления срезу мерзлого грунта по поверхности смерзания определяется по формуле Raf = ?опК, где К = 0,6 - коэффициент, учитывающий кратковременность испытаний, аналогичный К в одноосных испытаниях ГОСТ 12248-96 и в свайных испытаниях по ГОСТ 5686-94.

4. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА ЗАМЕРЗАНИЯ ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ

4.1. Одной из важнейших составных частей строительного проектирования объектов, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, является прогноз температурного режима этих грунтов на период строительства и эксплуатации каждого объекта.

Прогноз выполняется на основе теплотехнических расчетов температурных полей в грунтах оснований с учетом теплового взаимодействия сооружения с этими грунтами, теплообмена поверхности грунта с внешней средой в условиях освоения территории (изменения снегоотложений, растительного покрова, мелиорации территории и т.п.). Далее, на основе анализа температурных полей, в мерзлых грунтах оснований выбирается наиболее неблагоприятный случай распределения температур и он принимается за расчетный. На основе этих температур определяются значения прочностных и деформационных характеристик мерзлых грунтов основания конкретного фундамента. В ряде случаев рассматриваются варианты с инженерными мероприятиями, способствующими повышению прочности мерзлых грунтов оснований.

4.2. Для выполнения теплотехнических расчетов определяются теплофизические характеристик грунтов основания сооружения: теплопроводность (?), теплоемкость (С), температура начала замерзания (Тbf) и влажность за счет незамерзшей поровой влаги (Ww). («Руководство...» 1973).

4.3. Характерным признаком засоленных мерзлых грунтов является присутствие в них легкорастворимых солей. Количество этих солей, приходящееся на один грамм скелетных частиц грунта, определяет засоленность грунта (Dsal, %). В дисперсных грунтах эти соли растворены в поровой влаге и создают раствор с концентрацией Ср в долях единицы, равной

Cp= Dsal / (Wtot + Dsal) (4)

где Wtot - суммарная влажность грунта, %.

Поскольку Dsal грунтов обычно не превышает 3 - 5 %, то допустимо Ср рассчитывать по формуле Cp = Dsal / (Wtot- Wp / 4), где Wp влажность на границе раскатывания, %.

Засоленность грунта и концентрация соли в поровой влаге определяются методом выпаривания водной вытяжки; полный ионный состав раствора - химическим анализом поровой влаги.

4.4. Температура начала замерзания грунта (Тbf) характеризует наивысшую температуру, при которой грунт сохраняет мерзлое состояние, т.е. содержит включения или кристаллы льда. Для незасоленных песков эта температура равна 0,0 °С, для незасоленных глинистых - минус 0,2 °С.

Для засоленных грунтов температура Тbf, определяется в основном составом и концентрациями солей и их ионов в поровом растворе. Для инженерно-геологических целей эту температуру можно рассчитать по формуле:

0266A10296F20727

(5)

где: Dsal - засоленность грунта, %;

Wtotи Wp - влажности суммарная и на пределе раскатывания, %;

А = М/n - усредненный молекулярный (атомарный) вес частиц и ионов растворенной безводной соли;

М - молекулярный вес, а.е.м., безводной соли;

n - число ионов, на которые диссоциирует молекула соли.

4.5. Состав и сложение мерзлого грунта, во многом предопределяют его физические, теплофизические и физико-механические свойства. Каждому термодинамическому условию существования мерзлого грунта соответствует равновесный фазовый состав поровой влаги, зависящий также от вида грунта и свойств порового раствора. Фазовый состав влаги в грунте выражается количеством льда (Wi) и незамерзшей влаги (Ww) при данной температуре и давлении. При этом должно сохраняться равенство:

Wi+ Ww = Wtot (6)

В состав незамерзшей влаги включают и влагу, прочно связанную с поверхностью частиц скелета грунта и не участвующую в фазовых переходах «лед-вода» до глубоких отрицательных температур. Ориентировочно ее величина равна Wp / 4 и зависит от минерального состава пылеватых и глинистых частиц, а также вида ионов порового раствора.

Величины Wi и Ww определяются в лабораторных условиях, например, калориметрированием образцов грунта по ряду точек в интересующем диапазоне отрицательных температур. По результатам измерений строятся кривые льдосодержания Wi = f (T) и содержания незамерзшей влаги Ww = f (Т). Пример кривых содержания Wi и Ww = f (Т) в засоленных глинах приведен на рис. 2.

На основе многочисленных испытаний засоленных мерзлых грунтов п-ва Ямал можно рекомендовать разработанные ПНИИИС формулы для расчета фазового состава влаги в засоленных грунтах:

Wi =(Wtot - Wp / 4)(1 - Tbf / T), (7)

Ww = (Wp / 4) + (Wtot - Wp / 4) Тbf / Т

где: Т - интересующая температура мерзлого грунта, в °С;

Тbf- температура начала замерзания грунта, определяемая по формуле (5).

Приведенные формулы справедливы для концентраций, не превышающих концентраций насыщения поровых растворов и для температур выше эвтектических.

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Рис. 2. Содержание незамерзшей влаги в мерзлой засоленной глине

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Рис. 3. Зависимость прочности R засоленного мерзлого мелкого песка от количества незамерзшей воды

5. КРИТЕРИИ ЗАСОЛЕННОСТИ И СОСТОЯНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

5.1. Засоленность является важнейшим фактором, оказывающим влияние на прочность мерзлого грунта.

Исследования по оценке влияния засоленности на прочность мерзлых песков, а также кривые зависимости прочности R от засоленности для пылеватых и мелких песков (рис. 4) показывают, что даже незначительное увеличение засоленности от 0,03 % до 0,1 % снижает их прочность примерно в 2 раза. При засоленности более 0,5 % и температурах до -6 °С мелкий песок практически находится в охлажденном состоянии и свойства его близки к свойствам талого песка.

Для практических целей установлен пороговый критерий засоленности для пылеватых песков с морским типом засоления, равный 0,05 %, что можно считать приемлемым, так как такая величина поддается определению техническими средствами.

На прочность мерзлых глинистых грунтов соль оказывает меньшее воздействие, поскольку при том же количестве воднорастворимых солей в таких грунтах исходная концентрация порового раствора меньше. Для засоленных глинистых грунтов также может быть установлен критерий засоленности, т.е. такой минимальный процент содержания солей, при котором прочность грунта начинает заметно отличаться от прочности идентичного незаселенного грунта. Так, для супеси критерий засоленности может быть принят равным 0,15 %, а для суглинков - 0,2 %, поскольку в пределах изменения засоленностей от 0 до 0,15 % прочность мерзлых глинистых грунтов снижается не более, чем на 10 - 20 %.

5.2. В зависимости от деформируемости мерзлые грунты характеризуются либо пластичномерзлым, либо твердомерзлым состоянием. При этом критерием границы перехода состояний является коэффициент сжимаемости грунта «а», который, согласно указаниям главы СНиП 2.02.04-88 равен 0,01 МПа-1 или 0,001 см2/кг. При меньшем значении коэффициента «а» грунт считается твердомерзлым, при большем - пластичномерзлым.

С позиции проектировщика этот критерий состоит в том, что при твердомерзлом состоянии грунта расчет устойчивости оснований и фундаментов, ограничивается только расчетом по прочности мерзлого грунта, а при пластичномерзлом состоянии грунта устойчивость оснований следует рассчитывать по деформациям, развивающимся за период эксплуатации сооружения.

На величину коэффициента сжимаемости влияют вид грунта, его влажность, температура и засоленность, предопределяющие фазовый состав и степень цементации грунта поровым льдом. Поэтому границу перехода твердомерзлого состояния грунта в пластичномерзлое состояние целесообразно связывать с фазовым составом влаги в грунте.

Экспериментальные данные по содержанию незамерзшей воды Ww в рассматриваемых грунтах с различной засоленностью, а также данные по прочности R этих грунтов в зависимости от температуры позволили установить критерии перехода пластичномерзлого состояния грунтов в твердомерзлое.

Для наглядности на рис. 4 показаны зависимости ln R - ln Ww для мелкого песка и легкого суглинка. Рекомендуемые критерии для грунтов с морским типом засоления приведены в табл. 1.

Таблица 1

Состояние грунта

Суммарное содержание легкорастворимых солей, % от массы сухого грунта

Пески

Супеси

Суглинки и глины

Т = -1 ? -3

Т = -3 ? -8

Т = -1 ? -3

Т = -3 ? -8

Т = -1 ? -3

Т = -3 ? -8

Твердомерзлые

0 - 0,05

0 - 0,15

0 - 0,15

0 - 0,3

0 - 0,2

0 - 0,5

Пластичномерзлые

0,05 - 0,3

0,15 - 0,5

0,2 - 0,6

0,4 - 0,8

0,2 - 1,0

0,5 - 1,5

Охлажденные

> 0,3

> 0,5

> 0,6

> 0,8

> 1,0

> 1,5

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Рис. 4. Зависимость прочности (R) мерзлого мелкого и пылеватого песка от засоленности

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Рис. 5. Зависимость прочности смерзания (Raf) мерзлого тяжелого суглинка от засоленности

6. НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

6.1. Для составления таблиц нормативных значений прочности предпочтение отдавалось систематизированным материалам ПНИИИС и ЛенЗНИИЭП. При определении величин сопротивления нормальному давлению R к обработке были привлечено результаты около 250 испытаний пылеватых и мелких песков, около 220 опытов на супесях, более 300 опытов на легких и тяжелых суглинках и глинах по описанным выше требованиям.

Сопротивление срезу засоленных мерзлых грунтов при смерзании с бетонными поверхностями Raf определялось на 2-х срезных и одноплоскостных сдвиговых приборах. Всего к обработке привлечено примерно по 150 - 170 опытов на сдвиг для каждой разновидности грунта. На рис. 5 приведены кривые зависимости прочности смерзания Rafот засоленности Dsal для тяжелого суглинка.

6.2. Для обработки фактических материалов, полученных другими исследователями, применен графоаналитический метод, заключающийся в построении семейства кривых значений прочности при различных отрицательных температурах (рис. 6). Если величины прочности при одной засоленности и температуре имели расхождение не более 10 %, они принимались как базовые для составления таблиц.

6.3. Нормативные и расчетные значения характеристик грунтов установлены на основе статистической обработки результатов экспериментальных определений в соответствии с ГОСТ 20522-96 и СНиП 2.02.01-83.

При расчетах оснований используются расчетные значения характеристик грунта X, определяемые по формуле X = Хн / ?g, где Хн - нормативное значение данной характеристики; ?g - коэффициент надежности по грунту.

Нормативное значение характеристики равно среднеарифметическому значению результатов испытаний, выполненных с заданной повторностью.

Количество повторных определений искомой характеристики грунта, необходимое для вычисления нормативных и расчетных значений, согласно требованию СНиП 2.02.01-83 должно быть не менее шести. Однако, учитывая длительность и сложность испытаний мерзлых грунтов, ГОСТ 12248-96 допускает использовать не менее трех параллельных испытаний образцов исследуемого грунта.


Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Рис. 6 Зависимость прочности (R) засоленного мерзлого мелкого и пылеватого песка от температуры


При подготовке данных для составления таблицы нормативных значений прочности было принято количество параллельных испытаний при определении R и Raf - равное трем и при определении R шариковым штампом - шести.

Последние были подвергнуты статистической обработке, что позволило получить нормативную и расчетную прочностную характеристику - эквивалентное сцепление ().

Нормативные значения R исследованных грунтов приведены в таблице 2.

В таблице 3 приведены коэффициенты надежности по грунту, полученные из испытаний эквивалентного сцепления засоленных грунтов шариковым штампом (34 серии с повторностью опытов в серии от 6 до 12).

6.4. Вычисление расчетного давления R на мерзлый засоленный грунт по нормативному значению эквивалентного сцепления Ceq.n = Сn произведено по формуле:

R = 5,7Cn / gq + ?1d1 (8)

где ?1 - расчетное значение плотности грунта, кг/см3;

d1- глубина заложения фундамента, см;

?q - коэффициент надежности по грунту.

При обработке испытаний на одноосное сжатие в формуле (8) принято Сn = 0,5?n, где ?n - предельно-длительное сопротивление грунта одноосному сжатию.

В Рекомендациях значение R рассчитывалось для свай или фундаментов с глубиной погружения d1 = 400 см. Это сделано с целью упрощения таблиц расчетных давлений. Для других глубин d2, d2 ? d1 табличное значение R необходимо изменить на величину ?R = r1 (d2 - d1).

6.5. Коэффициент надежности по грунту ?q при определении расчетных значений прочностных характеристик мерзлых грунтов в соответствии с требованиями СНиП 2.02.04-88 устанавливается при доверительной вероятности ? = 0,85 и вычисляется по формуле ?q = 1 / (1 ± ?), где r - показатель точности.

Результаты статистической обработки данных (табл. 3) по испытанию засоленных мерзлых грунтов показали, что коэффициент надежности по грунту находится в пределах от 1,02 до 1,11; для испытанных засоленных мерзлых грунтов его можно принять равным 1,1.

Таблица 2

Нормативные значения R засоленных мерзлых грунтов с морским типом засоления

Засоленность грунта Ds, %

Нормативные давления R (кг/см2) при температуре грунта, °С

-1

-2

-3

-4

-6

-8

Пески мелкие и пылеватые

0,03

(11,8)

14,2

17,0

19,7

25,8

30,7

0,05

(6,7)

9,5

11,0

13,0

15,0

19,3

0,1

(3,7)

5,3

6,6

8,1

8,8

9,8

0,2

-

2,9

3,9

4,3

5,0

6,0

0,5

-

-

-

2,5

3,0

4,5

Супеси

0,05

11,0

14,1

16,2

18,2

19,3

20,0

0,2

5,0

8,3

11,0

13,0

14,4

15,7

0,5

-

2,4

3,0

4,0

4,9

5,6

0,8

-

-

-

1,5

2,8

3,7

Суглинки легкие

0,05

6,5

9,5

12,1

14,2

17,6

20,0

0,2

3,5

7,3

9,5

12,2

16,2

19,0

0,5

-

1,9

5,3

7,5

10,2

13,3

1,0

-

-

1,9

2,8

4,3

6,5

1,5

-

-

-

-

2,8

4,3

Суглинки тяжелые

0,05

7,0

10,0

12,0

14,0

18,0

-

0,2 - 0,3

4,5

7,0

9,0

11,0

16,4

-

0,5

1,5

3,0

4,5

6,5

12,2

-

1,0

-

1,5

2,5

4,2

6,1

-

1,5

-

-

1,5

3,0

4,7

-

Глины

0,05

-

10,0

12,0

14,0

17,0

20,2

0,2

-

6,0

9,0

9,8

15,0

18,5

0,5

-

2,5

3,5

6,0

10,2

15,3

1,0

-

-

2,0

3,6

5,6

8,3

1,5

-

-

1,5

3,0

4,0

7,0

Учитывая близость значений R, определяемых из опытов на одноосное сжатие и шариковым штампом, установленный коэффициент надежности по грунту, равный 1,1, можно применить и к опытным данным, полученным из испытаний на одноосное сжатие, где количество испытаний недостаточно для статистической обработки.

Анализ данных по испытанию засоленных мерзлых грунтов на срез при смерзании, имевших также ограниченную повторность (2 - 6 испытаний в серии), показал, что коэффициент надежности по грунту для Raf также равен 1,1.

6.6. При отсутствии опытных данных для грунтов с другим типом засоления (сульфатным или карбонатным) допускается принимать значения R и Raf по данным табл. 5 и 6 СНиП 2.02.04-88.

Анализ экспериментальных данных исследованных мерзлых грунтов с морским типом засоления показал, что полученные значения показателей их прочности существенно отличаются от данных таблиц СНиП 2.02.04-88. Это обстоятельство заставило составить новые таблицы прочностных характеристик R и Raf для мерзлых грунтов. Результаты представлены в табл. 4, 5 для песков мелких и пылеватых, супесей, суглинков легких, суглинков тяжелых и глин.

6.7. Предлагаемые таблицы расчетных давлений на мерзлые засоленные грунты R и Raf имеют следующие отличия от рекомендованных в СНиП 2.02.04-88:

- существенно расширен диапазон отрицательных температур - до -6 и -8 °С;

- уточнен, и в ряде случаев расширен, диапазон засоленностей - до 1,5 %;

- впервые, на основании обработки опытных данных по незамерзшей воде, выделены области твердомерзлого и пластичномерзлого состояния засоленных мерзлых грунтов;

- данные таблиц по R приведены к одной глубине заложения фундамента d = 4 м, что упрощает таблицы, а расчет давлений на большие глубины достаточно прост; при этом значения R можно принимать как для свайных, так и для столбчатых фундаментов.

6.8. Предлагаемые таблицы по прочностным характеристикам засоленных мерзлых грунтов даны для морского типа засоления при влажности на пределе текучести для глинистых грунтов, а для песков при полном водонасыщении пор водой и льдом при льдистости грунтов за счет ледяных включений ii < 0,2.

Таблица 3

Коэффициент надежности по грунту ?g no данным экспериментов (при доверительной вероятности ? = 0,85)

Засоленность грунта Ds, %

?g при температуре грунта, °С

-4

-6

-8

Пески мелкие и пылеватые

0,03

-

-

1,05

0,1

1,04

-

1,03

0,2

-

1,03

1,02

0,5

1,05

1,04

-

Супеси

0,05

-

1,04

1,05

0,2

-

1,06

1,05

0,5

-

-

1,11

0,8

-

1,07

-

Суглинки легкие

0,05

-

-

1,08

0,2

-

1,08

1,06

0,5

-

1,06

1,06

1,0

-

1,05

-

1,5

-

-

1,06

Глины

0,2

1,08

1,06

1,06

0,5

1,08

1,05

1,11

1,0

1,11

1,04

1,09

1,5

1,05

1,10

1,05

Таблица 4

Расчетные давления R на мерзлые засоленные грунты (морской тип засоления) для глубины заложения фундамента 4 м

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Обозначения: тв.м. - твёрдомёрзлое состояние грунта;

пл.м. - пластичномёрзлое состояние грунта;

охл. - охлаждённое состояние грунта.

Продолжение таблицы 4

Расчетные давления R на мерзлые засоленные грунты (морской тип засоления) для глубины заложения фундамента 4 м

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

Таблица 5

Расчетные сопротивления срезу по поверхности смерзания Raf мерзлых засоленных грунтов (морской тип засоления)

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

6.9. Выбранные значения влажности и плотности образцов засоленных мерзлых грунтов п-ова Ямал соответствуют средневзвешенным их значениям для Арктики.

6.10. В таблицах показаны границы перехода твердомерзлого состояния грунта в пластичномерзлое, а также пластичномерзлого в охлажденное.

6.11. При практическом пользовании табл. 5 приводимые значения Rаf следует умножать на коэффициент ?af, зависящий от вида поверхности смерзания и принимаемый равным:

- для бетонных поверхностей фундамента, изготовляемых в металлической опалубке - 1,0;

- для деревянных поверхностей, не обработанных масляными антисептиками - 1,0;

- для деревянных поверхностей, обработанных масляными антисептиками - 0,9;

- для металлических поверхностей из горячекатаного проката - 0,7.

7. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАИ В ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Расчет оснований и фундаментов на мерзлых грунтах, как правило, выполняют по первой группе предельных состояний (по несущей способности). Если грунты основания сохраняются в период эксплуатации сооружения в твердомерзлом состоянии, то расчет по прочности грунта является достаточным при определении конструкции, размеров и глубины заложения фундаментов. Если же грунты оснований изначально находятся в пластичномерзлом состоянии или переходят в него в процессе эксплуатации сооружения, то необходим расчет по второй группе предельных состояний, т.е. по деформациям, которые не должны превышать предельно допустимых для выбранной конструкции сооружения.

При расчете несущей способности должно удовлетворяться условие:

(9)

где F - расчетная нагрузка на фундамент,

Fu- расчетная несущая способность (сумма расчетных удерживающих сил);

?n - коэффициент надежности по назначению сооружения (принимается в соответствии с п. 6.4 СНиП 2.02.04-88 и п. 2.58 СНиП 2.02.01-83).

Величина несущей способности висячей сваи (Fu) слагается из сумм сопротивления грунтов сдвигу по боковой поверхности смерзания грунта со сваей и сопротивления вдавливанию нижнего торца сваи в нижележащий мерзлый грунт

0266A10296F20727

(10)

где Rafi - расчетное сопротивление сдвигу по поверхности смерзания грунта i-го слоя со сваей;

R - расчетное допустимое давление на мерзлый грунт под торцом сваи;

А - площадь сечения торца сваи;

Аafi- площадь смерзания сваи с i-тым слоем мерзлого грунта;

n - число выделенных при расчете слоев вечномерзлого грунта основания;

?с = 1,0 - коэффициент условий работы основания (таб. 3 СНиП 2.02.04-88).

При этом Rafi зависит от геологического строения массива, распределения в нем температур Т и засоленности Dsal по всей глубине (Zм) смерзания грунта со сваей, а величина R определяется только условиями на глубине нижнего торца сваи (Hт + Zм), где Hт - толщина талого слоя грунта, от планировки поверхности.

Для иллюстрации использования рекомендуемых данных по прочности засоленных мерзлых грунтов приводятся примеры расчета несущей способности железобетонной сваи.

Пример 1.Исходные данные. Свая квадратного сечения со стороной b = 25 см, погружена бурозабивным способом в мерзлую супесь на глубину Zм = 6,0 м. Мерзлая супесь сверху перекрыта слоем талой супеси толщиной Нт = 2,0 м. Мерзлая супесь однородна, имеет влажность W = 28 %, массивную криогенную текстуру и засоленность Dsal = 0,3 %, температуру начала замерзания Тbf = -0,9 °С; засоление супеси морское.

В табл. 6 приведены исходные данные для расчета несущей способности сваи: распределение температур Т по глубине Hт + Zмполученных по теплотехническому прогнозу; значения сопротивления сдвигу по поверхности смерзания (Raf) и допустимое давление на грунт под торцом сваи R.

Таблица 6

Таблица исходных данных для расчета несущей способности сваи
(к примеру 1)

Глубина, м

Hт + Zм

< 2

2

4

6

8

Tz, °С

> -0,9

-0,9

-1,6

-2,1

-2,5

Raf, кгс/см2

< 0,27

0,27

0,45

0,58

0,67

R, кгс/см2

-

-

-

7,3

В данном примере мерзлый грунт однороден, Dsal постоянна по глубине, но температура Tz по глубине понижается. Соответственно возрастают и величины Raf. Поэтому общее сопротивление сдвигу следует определять методом послойного суммирования, разделив глубину зоны смерзания на n равных слоев при толщине каждого ?Zi, равной 2 м. Затем по температурам на границах каждого i-ого слоя определяются величины Rafi.

Значения сопротивлений Raf находят по данным таблицы 6, интерполируя их по прогнозным температурам Tz на границах каждого из трех выделенных мерзлых слоев, а давление R, кроме того, скорректировано на величину разницы бытового давления ?R = r[(Hт + Z) - 4]102 на глубинах (Hт + Z) и 4 м, поскольку данные по R в таблице 5 соответствуют глубине Hт + Z = 4 м (? - средняя плотность грунта вышележащих слоев в кг/см3).

После подстановки данных в формулу 10 по условиям задачи находим:

Fu= 1,0·[8,1·625 + (0,36·20000 + 0,52·20000 + 0,64·20000)] = 34500 (кгс)

Если мерзлые грунты основания неоднородны по составу и засоленности Dsal, то задача осложняется необходимостью учета этих факторов при выборе границ слоев и расчетных значений Rafi. Например, необходима двойная интерполяция данных из табл. 5 по величинам Dsali и Ti для конкретных глубин Zi.

Пример 2. Рассмотрим случай, в котором приведем расчет несущей способности сваи, аналогичной примеру 1, но установленной в более сложных инженерно-геологических условиях. Для наглядности исходные и расчетные данные размешаем в табл. 7.

Здесь колонка 1 показывает мощность слоев, на которые условно разделен мерзлый массив основания в пределах глубины погружения сваи (границы слоев определяются сменой видов грунтов и их засоленностей. Колонка 2 - геологический разрез. Колонка 3 - границы слоев (по составу: СГ - суглинок, СП - супесь). Колонка 4 - распределение влажности W % по глубине. Колонка 5 - распределение засоленности Dsal по глубине. Колонка 6 - распределение прогнозных (расчетных) температур по глубине от подошвы сезонноталого слоя. Колонка 7 - глубина, м. Колонка 8 - средняя температура Т соответствующего слоя, определяемая по кривой распределения расчетных температур на глубине середины каждого слоя. Колонка 9 - средняя засоленность слоев. Колонка 10 - расчетные сопротивления сдвигу по поверхности смерзания Raf грунта данного слоя при его средней температуре Тi и засоленности Dsal.

Величины R определяют по рекомендуемым в табл. 5 значениям с учетом вида грунта, его засоленности и температуры. Для промежуточных значений Dsal и Тi, данные табл. 7 по Raf интерполируют сначала по Dsal, а затем по Тi в пределах соответствующих интервалов табл. 5, вмещающих интересующие значения Dsal и Тi. По формуле 10 определяем расчетное сопротивление сил смерзания грунта со сваей для каждого выделенного слоя мерзлого грунта без торца:

Fu = 1·3,14·32,5 (0 + 0,45·160 + 1,0·140) = 102·(72 + 140) =21600 кгс

Аналогично находят допустимое расчетное давление под торцом сваи, по данным рекомендуемых в табл. 4 давлений R, но с учетом коррекции на бытовое давление грунта на глубине торца.

Fо =?d2/4?R = (3,14?32,5/4)·4,5 = 3750 кгс

Таким образом, несущая способность сваи, полученная послойным суммированием всех расчетных сопротивлений (сумма сил Fu = 25350 кгс).

В данных примерах не учитывается влияние талых или охлажденных грунтов, перекрывающих мерзлые грунты основания, ввиду относительной малости их вклада и неопределенности момента их проявления. Кроме того, не учтены возможные воздействия моментов и горизонтальных сил, негативного трения и т.п., что расматривается в специальной литературе (Справочник по строительству ..., 1977).

Таблица 7

Данные для расчёта несущей способности сваи (к примеру 2)

Рекомендации по определению прочности мерзлых грунтов с морским типом засоления

ЛИТЕРАТУРА

1. Аксенов В.И. Исследование механических свойств мерзлых грунтов как оснований сооружений (на примере грунтов Арктического побережья). Автореферат канд. дисс., МИСИ, 1980 г.

2. Аксенов В.И. Методика оценки эквивалентного сцепления засоленных мерзлых грунтов. Сб. «Засоленные мерзлые грунты как основания сооружений». Отв. редактор Вялов С.С. Наука, М., 1990 г.

3. Баулин В.В., Аксенов В.И., Дубиков Г.И. и др. Геокриологические условия освоения Бованенковского месторождения. Тюмень. Институт проблем освоения Севера СО РАН, 1996 г.

4. Брушков А.В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. М., изд-во МГУ, 1998.

5. Велли Ю.Я. Устойчивость зданий и сооружений в Арктике. Л., Стройиздат, 1979 г.

6. ГОСТ 12071 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов». Изд-во стандартов, 1972.

7. ГОСТ 12248-96. «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости мерзлых грунтов». Изд-во стандартов, 1997 г.

8. ГОСТ 5686-94. «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Изд-во стандартов, 1996 г.

9. ГОСТ 25100-95. «Грунты. Классификация». Изд-во стандартов, 1996.

10. ГОСТ 20522-96 «Метод статистической обработки результатов определения характеристик». Изд-во стандартов. 1996.

11. ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету». Издательство стандартов, 1992. Изменения № 1 от 21.12.93.

12. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М., Стройиздат, 1973 г.

13. СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» М., Стройиздат, 1985.

14. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». М., Стройиздат, 1990 г.

15. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л. Стройиздат, Л.О., 1977.

16. СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 1. Общие правила производства работ Госстрой России». М., 1997.

17. Яркий А.Н. Особенности строительных свойств мерзлых грунтов как оснований сооружений. Автореферат канд. дисс. ЛИСИ, 1986.




Реклама: ;


Самые популярные документы раздела



Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика