Исследование влияния сил морозного пучения на фундаменты

Морозное пучение грунтов является одной из существенных проблем, возникающих при проектировании зданий и сооружений. Данное явление негативно влияет на здания, вызывая их разрушение, что угрожает безопасности жизни и здоровья находящихся там людей.

Решение этой проблемы предполагает использование системы «фундамент-основание». Наличие такой системы подразумевает решение комплексной задачи, состоящей в совместных расчетах. Их необходимость важна для современного уровня развития строительной науки, в котором при внедрении современных методов расчета и новейших материалов достигнута возможность проектирования конструкций с минимальными запасами прочности [2].

В данной работе рассматривается система «фундамент – основание» ввиду её универсальности как для зданий, так и сооружений. При ее расчете возникает необходимость решения комплексной задачи, состоящей в оценке жесткости фундамента, оценке жесткости конструкций и рассмотрении взаимодействия конструкции с деформируемым основанием, т.е. решения контактной задачи. Описанию моделей основания посвящено большое количество работ, однако рассмотрение системы "фундамент – основание" в условиях морозного пучения не проводилось, в то время как явление морозного вспучивания рассматривалось отдельно, о чем свидетельствует наличие большого количества методов и приемов борьбы с пучением.

Морозное пучение – это увеличение объема грунта при отрицательных температурах. Это происходит потому, что влага, содержащаяся в грунте, увеличивается в объеме при замерзании. Это явление зависит от многих факторов, возникновение и формирование которых связано с климатическими, геологическими, гидрологическими и другими условиями. В данной работе будет рассмотрено влияние плотности и влажности грунта на морозное пучение в виду того, что они играют наибольшую роль в данном явлении и являются основными. В то же время, величина промерзших грунтов с достаточной степенью достоверности может быть определена только в том случае, если все факторы, влияющие на промерзшие грунты, будут учитываться совместным комплексным образом. [6].

Влиянию плотности грунта начали уделять внимание относительно недавно. В частности, Венн и Ротледж в 1940 году обнаружили, что величина морозостойкости в значительной степени зависит от плотности грунта. На влияние плотности грунта обратили также внимание А. Я. Тулаев и Г. М. Соскин [3].

Рисунок 1. Зависимость морозного пучения грунтов от их плотности: а – замораживание с напором воды; б – замораживание без напора воды; 1 – песок; 2 – тяжёлый суглинок; 3 – супесь мелкая; 4 – глина; 5 – супесь; 6 – пылеватый грунт; 7 – суглинок; 8 – пылеватый суглинок.

Характер зависимости морозного пучения от плотности грунтов (рис. 1) в основном определяется не типом грунта, а способом водонасыщения. При водонасыщении без напора влаги зависимость отображается кривыми с максимумом, а при наличии напора морозное пучение непрерывно уменьшается с увеличением плотности.

Для оценки влияния влажности на величину морозного пучения используют такие величины, как суммарная влажность мерзлого грунта – W_tot и влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями – W_m. Они определяются в соответствии с ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

Силы морозного пучения действуют не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки, так как грунт увеличивается в объеме не только под фундаментом, но и вокруг него. Грунт вокруг фундамента зимой примерзает к его стенкам и при движении тянет его за собой. Таким образом, вся сила пучения может быть разделена на две составляющие: одна действует на основание (нормальная составляющая), другая – на стенки (касательная составляющая) (рис. 2). Чем глубже устроен фундамент, тем меньше сила пучения, действующая на него. Но в то же время боковая поверхность увеличивается и вместе с ней увеличивается суммарная касательная сила, действующая на стенки фундамента [7]. Данный вывод делали многие исследователи, в т. ч. Невзоров А. Л. [4], Алексеев А. Г. [1] и Бургонутдинов А. М. [3].

Рисунок 2. Схема воздействия лобовых и касательных сил морозного пучения на фундамент

На рисунке 3 показана зависимость величины силы набухания от глубины фундамента. Он показывает, что максимальная сила пучения будет приходиться на фундамент, заложенный на глубине около 0,5 м – т.е. это наименее подходящая глубина.

Рисунок 3. График зависимости силы пучения от глубины заложения фундамента

Для оценки деформированного состояния грунтового основания был произведён расчёт в соответствии с Рекомендациями по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах [5]. Расчёт производился, исходя из следующих условий:

                                                                                              (1)

                                                                                           (2)

Согласно требованиям, расчётная величина подъёма основания  и расчётная относительная деформация пучения  не должны превышать предельных значений. Также в расчётах присутствует толщина демпфирующей подушки h_п, поэтому результаты расчётов приводятся без и с применением подушки (таб. 2).

Расчёт (таб. 1 и 2) проведён для ленточного фундамента мелкого заложения на мягкопластичном суглинке под бескаркасные здания с несущими стенами из блоков и кирпичной кладки без армирования.

Таблица 1.

Результаты расчёта величины подъёма основания

В данной таблице приведены результаты расчёта таких величин, как:

· h_f – величина морозного пучения ненагруженного глинистого грунта при промерзании до расчётной глубины d_f

· h_fp – расчётная величина подъёма основания от пучения грунта под фундаментом с учётом давления под его подошвой

· ε_fp – расчётная относительная деформация пучения грунта основания под фундаментом

· S_u – предельная величина морозного пучения ненагруженного глинистого грунта при промерзании до расчётной глубины

· (ΔS/L)_u – предельная расчётная относительная деформация пучения грунта основания под фундаментом

Исходя из результатов расчёта, вытекает вывод, что полученные значения превышают предельные и необходимо принять меры по уменьшению величины подъёма грунта.

Таблица 2.

Результаты расчёта с учётом демпфирующей подушки

Рисунок 4. зависимость величины подъёма основания от толщины демпфирующей подушки. На горизонтальной оси отображены значения толщины демпфирующей подушки h_п, на вертикальной – суммарная величина морозного пучения ненагруженного грунта Σh_f

В соответствии с результатами расчётов и графиком, представленным на рис. 4, демпфирующая подушка должна использоваться для снижения величины подъёма основания грунта под действием сил морозного пучка, при этом зависимость величины подъёма от толщины подушки обратно пропорциональна.