ПРЕДИСЛОВИЕ

Промерзание поверхностных слоев земной коры обусловливает 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. Процесс такого деформирования пород в строительной практике принято называть морозным пучением, а сами грунты, подвергающиеся пучению, пучинистыми или морозоопасными.

Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих морозоопасных 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.

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 вечномерзлыми породами, где в условиях преимущественного распространения сильнопучинистых пылеватых грунтов воздействующие на сооружения силы пучения достигают значительных величин.

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.

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.

Несмотря на широкое территориальное распространение явления пучения в нашей стране, действующие в настоящее время строительные нормы и правила и другие нормативно-методические документы не дают исчерпывающих и достаточно обоснованных расчетных характеристик и оперативных методов инженерного прогноза морозного пучения грунтов.

Призванные восполнить этот пробел Рекомендации составлены в развитие и дополнение существующих нормативных документов и предназначены для инженерно-технических работников проектно-изыскательских и строительных организаций.

В основу Рекомендаций положены обобщенные результаты многолетних экспериментальных и теоретических исследований морозного пучения грунтов с использованием материалов, освещающих опыт строительства на пучинистых грунтах. Прогноз характеристик морозного пучения дан с учетом современных представлений об этом процессе на основе анализа и проверки существующих схем и методов его расчета.

Рекомендации составлены в научно-производственной лаборатории изучения свойств мерзлых грунтов ПНИИИС Госстроя СССР; автор - д-р техн. наук В.О. Орлов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации содержат сведения по выявлению, оценке и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов оснований зданий и сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания и распространения вечномерзлых грунтов.

1.2. Рекомендации по учету и оценке деформаций морозоопасных грунтов используются при назначении противопучинных мероприятий и в расчетах оснований сооружений, проектируемых по второму предельному состоянию (по деформациям), согласно которому следует учитывать не только осадки грунтов основания, но и их деформации от пучения. Для зданий и сооружений, проектируемых на морозоопасных основаниях по первому предельному состоянию (по устойчивости), необходима проверка устойчивости и прочности фундаментов на действие сил морозного пучения.

1.3. Рекомендации по прогнозу характеристик морозного пучения грунтов расчетным методом предусматривают обязательное инженерно-геологическое обследование территории застройки с выявлением исходных данных, необходимых для расчета.

1.4. Полевые исследования пучинистых свойств промерзающих грунтов проводятся в соответствии с рекомендациями [ 1] - При этом деформации морозного пучения грунтов определяются посредством инструментальных наблюдений за положением поверхностных и глубинных реперов (марок), а также пучиномеров согласно инструкциям, разрабатываемым ведомственными организациями, или в соответствии с техническим заданием и детальностью обследования территории застройки.

1.5. Лабораторные исследования пучинистых свойств грунтов проводятся в соответствии с рекомендациями [ 1], а также с использованием методики, приведенной в [ 2].

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1. Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д.

Внешним проявлением морозного пучения, характеризующим величину его линейной деформации, служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании. В северных районах морфологическим признаком проявления пучения нередко служат такие формы рельефа, как площадное всхолмление, бугры и гряды пучения.

2.2. К основным характеристикам деформируемости промерзающего грунта относятся величина морозного пучения и ее производная - интенсивность.

Под величиной пучения hfi некоторой точки поверхности грунта, промерзшего на глубину di , принято понимать высоту перемещения этой точки относительно ее исходного положения в предзимний период. Величина пучения dhf элементарного слоя d ( df ) характеризует интенсивность пучения f (доли единицы), под которой понимается способность грунта в условиях льдообразования деформироваться в отдельной "точке" массива.

Значение f представляет собой дифференцированную по глубине пучащегося слоя алгебраическую сумму деформаций грунта за счет перемещения его вверх по нормали к фронту промерзания (деформация пучения hf 0 ) и одновременной усадки его вниз (- sf ) вследствие консолидации подстилающего немерзлого слоя грунта

Из уравнения ( 1) следует, что

График изменения значения f по глубине слоя промерзающего грунта называют эпюрой интенсивности пучения (рис. 1). Площадь этой эпюры численно равно величине hf .

Рис. 1. Эпюра интенсивности пучения

В практических целях нередко используют значение средней интенсивности пучения

которая графически представляет прямоугольную эпюру 0 abc (см. рис. 9).

Примечания: 1. Значение f является аналогом часто встречающихся в литературе терминов "относительное пучение" или "коэффициент пучения"'. 2. Не следует отождествлять понятия "интенсивность" и "скорость" пучения грунта; под скоростью пучения понимается приращение объема пучащегося грунта в единицу времени t .

2.3. Под модулем морозного пучения mf понимается величина пучения, отнесенная к слою морозоопасного талого грунта мощностью 1 м. Значение mf определяется на основании экспериментальных данных о пучении по формуле

где d 0 i - мощность слоя немерзлого грунта, м, вызывающего деформацию пучения величиной hfi , м.

Численно модуль пучения равен:

2.4. Основным условием пучения любого грунта служит превышение общего объема замерзшей и незамерзшей (при данной отрицательной температуре) воды, аккумулированной в массиве промерзшего грунта, над объемом свободных от воды пор немерзлого грунта того же массива. Количество замерзшей воды, вызывающей пучение грунта, определяет так называемое избыточное льдовыделение ( ief ). Пучения грунта не будет, если объем свободных отводы пор равен или больше приращения объема замерзшей воды, характеризующей при данных условиях лед-цемент.

2.5. Если в несвязных крупнозернистых грунтах (пески, крупнообломочные породы с песчаным заполнителем) механизм морозного пучения может быть представлен моделью увеличения объема гетерогенной системы за счет расширения (при фазовом переходе) одного из компонентов - воды, то в связных (глинистых) грунтах механизм пучинообразования обусловлен сложным комплексом процессов тепловлагообмена, основная роль в которых принадлежит их кинетике и характеру перераспределения связанной (пленочной) влаги в промерзающем грунте. Наличие в глинистых и пылевато-песчаных грунтах связанной воды обусловливает процесс миграции жидкой фазы, выражающийся в перераспределении влаги начального содержания и накоплении ее в промерзающем грунте вследствие поступления из смежных немерзлых зон.

Криогенная миграция воды оказывает доминирующее влияние как на льдовыделение, так и на пучение грунтов. Если в условиях стабильного состояния влаги начального содержания за счет ее кристаллизации модуль пучения может составить лишь до 3 - 3,5 см/м, то при миграционном влагонакоплении он способен достигать 20 см/м и более.

2.6. Процесс морозного пучения, обусловленный льдовыделением и анизотропией роста кристаллов льда, протекает не только у границы промерзания, но и в некотором приграничном слое мерзлого грунта, называемом зоной промерзания или зоной одновременного пучения. Мерзлый грунт, залетающий выше зоны промерзания, при дальнейшем охлаждении практически не подвергается пучению, однако перемешается в результате пучения грунта в нижележащих слоях.

2.7. Все грунты в зависимости от их гранулометрического состава подразделяются на морозоопасные (пучинистые) и неморозоопасные (непучинистыс) системы. В свою очередь все морозоопасные грунты в зависимости от содержания тонких фракций, условия увлажнения и промерзания могут быть подразделены по степени пучинистости на следующие труппы, в которых основным показателем градации принят модуль пучения:

потенциально пучинистые (условно непучинистые) . . . . . . . . . . .

Примечание. Термин "потенциально пучинистый" характеризует стабильное состояние промерзающего грунта лишь при его определенных физических свойствах (например, влажности), изменение которых способно повлечь переход грунта в ту или иную группу морозоопасности.

2.8. Условия устойчивости сооружений, возводимых на промерзающих морозоопасных грунтах, оцениваются не только абсолютной величиной пучения, но и его неравномерностью. Основными причинами неравномерного пучения грунтов являются:

неоднородность состава и сложения грунтов;

неравномерное увлажнение грунтов или их различная обводненность поверхностными или подземными водами;

неравномерность промерзания грунтов, вызываемая изменением их теплофизических свойств, различным распределением теплоизоляционных покрытий (снег, растительный покров и др.), неравномерным облучением, обдуваемостью ветром и пр.

Критерий неравномерного пучения характеризуется относительной неравномерностью пучения ∆ hf / L , под которой понимается отношение разности величин (деформаций) пучения ∆ hf в двух близлежащих точках к расстоянию (длине заложения) между ними или к базе L . База L назначается в соответствии с конструктивными особенностями каждого типа сооружения. Величина ∆ hf / L рассчитывается в соответствии с рекомендациями разд. 5.

2.9. В строительной практике возможная неравномерность пучения может быть как допустимой, так и недопустимой. Допустимая по условиям эксплуатационной надежности работы сооружения разность в перемещениях промерзающего грунта характеризует степень допустимой неравномерности пучения.

Оценка степени неравномерности пучения грунтов особенно важна при расчетах эксплуатационной работы линейных сооружений (железных и автомобильных дорог, трубопроводов и др.) и малоэтажных зданий, которые отличаются незначительной жесткостью конструкций и малыми нагрузками.

Степень допустимой неравномерности определяется в первую очередь типом сооружения. Для каждого сооружения и его конструктивного решения может быть получена величина предельно допустимой деформации неравномерного пучения (табл. 12). В этом случае одним из требований к расчету сооружений, возводимых на морозоопасных основаниях по деформациям, является соблюдение условия

2.10. Морозное пучение резко изменяет физико-механические свойства грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны интенсивности пучения. При оттаивании мерзлых грунтов, подвергшихся пучению, повышается водопроницаемость и сжимаемость оттаявшего грунта, значительно понижается его несущая способность, что приводит к осадке сооружений, а на железных и автомобильных дорогах - к весенним просадкам земляного полотна, сопровождаемым разжижением и выплесками грунта, образованием бугров выпирания, смещением откосов, кюветов и т.п.

2.11. Пучение грунтов обусловливает развитие давления в зоне промерзания. Это давление характеризует собственно силы пучения, или гидродинамические силы пучения, под которыми понимается сопротивление растущим кристаллам льда при замерзании и объемном расширении воды.

2.12. Различают следующие виды восприятия силового эффекта морозного пучения:

касательные силы пучения; нормальные силы пучения: у боковой поверхности фундаментов и конструкций сооружений, у подошвы фундаментов сооружений, балластных и подстилающих слоев железных и автомобильных дорог.

Для фундаментостроения наиболее важна оценка касательных и нормальных к подошве фундамента сил морозного пучения.

Замерзая около фундамента, грунт примерзает к его боковой поверхности. Развивающиеся в зоне промерзания собственно силы пучения стремятся переместить вместе с вышележащим слоем мерзлого грунта фундамент вверх, чему противодействуют его защемление в нижележащих слоях грунта и нагрузка от сооружения. При этом возникает нарушение статических связей смерзания (прочности смерзания) грунта с фундаментом, в результате чего возникает смещение - сдвиг мерзлого пласта относительно фундамента. Сопротивление смещению слоя мерзлого грунта относительно боковой поверхности фундамента обусловливает касательные силы пучения. Величина этих сил возрастает по мере увеличения площади контактных связей мерзлого грунта с фундаментом.

В ходе роста слоя промерзшего грунта может наступить такой момент, когда динамические связи мерзлого грунта с фундаментом превзойдут сопротивление заанкериванию фундамента и приложенной к нему нагрузки от сооружения. В этом случае начнется совместное перемещение фундамента с мерзлым грунтом или, как принято говорить, "выпучивание" фундамента. Среднеинтегральное тангенциальное усилие, при котором наступает предельное равновесие сил, действующих на фундамент перед его выпучиванием, характеризует нормативную величину касательных сил пучения.

Собственно силы пучения, действующие перпендикулярно поверхности фундамента или заложенного в грунт сооружения (трубопровод, стенки канала и пр.) определяют нормальные силы пучения.

Неравномерное промерзание и пучение грунта может вызвать одностороннее боковое давление на фундамент, которое в отдельных случаях способно подвергнуть сооружение горизонтальным смещениям. Промерзание пучинистых грунтов под фундаментом (сооружением) обусловливает развитие нормальных сил пучения у его подошвы. В основном эти силы определяются среднеинтегральным значением собственно сил пучения на площади промерзающего массива, значительно превышающей площадь подошвы фундамента.

Если величина касательных сил пучения преимущественно не превышает 0,1 - 0,2 МПа (1 - 2 кгс/см 2 ), то величина сил пучения, нормальных к подошве фундамента, может достигать 0,5 - 1 МПа (5 - 10 кгс/см 2 , а в отельных случаях и до нескольких десятков кгс/см 2 ).

3. РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

3.1. Морозное пучение грунтов зависит от комплекса многочисленных факторов, происхождение и формирование которых связано с климатическими, гидрогеологическими, литологическими, а в районах распространения вечномерзлых грунтов - и геокриологическими условиями места обследования.

К основным природным факторам, количественно характеризующим интенсивность пучения грунтов, относятся: гранулометрический, минералогический и химический состав грунта, его водно-физические свойства и глубина залегания грунтовых вод в период промерзания, плотность грунта и степень его охлаждения, зависящая от температуры воздуха и теплоизоляции на поверхности грунта в зимний период.

Помимо природных факторов интенсивность пучения зависит также от геотехнических факторов, связанных с обустройством осваиваемой территории и возводимых на ней сооружений, нагрузкой на грунты от сооружений и др.

3.2. Морозоопасность грунтов и прогноз их характеристик пучения в целях назначения инженерных мероприятий по предупреждению деформаций сооружений могут быть с достаточной надежностью определены лишь при совместном комплексном учете всех воздействующих на пучение факторов.

Влияние гранулометрического, минералогического и химического составов грунта на пучение

3.3. Одним из физических показателей пучения является дисперсность грунтов, т.е. степень их раздробленности, характеризуемая формой и размером твердых минеральных и органоминеральных частиц, образующих поверхность раздела между физическими фазами грунтовой системы и обеспечивающих взаимосвязь с водой. Обладая запасом свободной поверхностной энергии, создающим энергетический потенциал грунтовой системы, минеральные частицы с большой удельной поверхностью взаимодействуют с жидкой фазой и растворенными в ней веществами.

Взаимодействие минеральных частиц с жидкой фазой обусловливает образование различных категорий связанной воды, которая существенно влияет не только на влагосодержание грунта, но и на миграционное накопление в нем влаги при промерзании, участвуя в формировании пучинистых свойств тонкодисперсных грунтов. При этом первостепенную роль играет так называемая пленочная (рыхлосвязанная) вода, которая своим перераспределением в зоне примерзания оказывает влияние на пучение грунта.

Наибольшее количество пленочной воды содержится в тонкодисперсных глинистых грунтах, имеющих большую удельную поверхность минеральных частиц, наименьшее - в крупнозернистых (песчаных и крупнообломочных) грунтах. Из этого следует, что наиболее морозоопасными являются глинистые грунты.

3.4. Наибольший размер минеральных частиц, при котором ощутимо воздействие силового поля скелета грунта на пленочный механизм миграции воды, а следовательно, и на интенсивность его пучения, составляет около 0,1 - 0,07 мм. Все крупнозернистые грунты, состоящие из фракций крупнее 0,1 - 0,07 мм, при наличии высоких фильтрационных свойств, как правило, не способны удерживать воду и подвергаться пучению за счет миграционного влагонакопления.

В условиях беспрепятственного оттока воды из замерзающего массива крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности являются не морозоопасными. В условиях замкнутого объема, т.е. без свободного оттока воды из замерзающего массива, эти грунты не выходят за пределы слабопучинистых ( mf ≤ 3,5 см/м).

3.5. Максимальная интенсивность пучения по гранулометрическому составу свойственна грунтам, дисперсность которых соответствует размеру минеральных частиц от 0,05 до 0,005 мм. Преобладание в составе грунта частиц указанного размера, номенклатурно представляющих фракции пыли, обеспечивает наиболее благоприятные условия криогенной миграции влага.

Увеличение степени дисперсности частиц в пределах глинистых фракций (от 0,005 - 0,002 мм и менее) приводит к некоторому уменьшению удельного потока миграционной влаги в промерзающий грунт, что наиболее заметно проявляется с увеличением его плотности. В глинах наряду с ростом свободной энергии частиц возрастает и количество прочно связанной воды, не участвующей в процессах миграционного влагонакопления и пучения грунтов.

3.6. С учетом осредненной степени дисперсности глинистых грунтов интенсивность пучения их номенклатурных видов при прочих равных гидротермических условиях возрастает в следующей очередности: глины (с монтмориллонитовой основой) < супеси < суглинки < пылеватые грунты (супеси, суглинки, глины с каолинитовой основой).

3.7. Влияние минералогического состава тонких фракций на пучение в крупнообломочных и песчаных грунтах практически отсутствует. Оно становится заметным в тонкодисперсных грунтах, а наиболее резко проявляется в глинах, у которых химическая активность взаимодействия частиц с водой зависит от природы глинистых минералов (коллоидной фракции) и их обменной способное, связанной со строением и подвижностью кристаллической решетки.

Чем выше обменная способность и степень набухания группы минералов, содержащихся в основе глинистого грунта, тем менее морозоопасен этот грунт.

Минералы группы каолинита практически не содержат обменных ионов и обладают достаточно жесткой кристаллической структурой, характерной для ненабухающих грунтов. Эти обстоятельства обусловливают высокую влагопроницаемость и повышенную морозоопасность грунтов с каолинитовой основой. В иллите основным обменным катионом является калий, высокая степень гидратации которого понижает пучинистые свойства грунтов с иллитовой основой. Весьма высокий ионный обмен свойствен минералам группы монтмориллонита, обладающим высокой степенью набухаемости и малой водопроницаемостью. Морозоопасность глинистых грунтов с монтмориллонитовой основой в 2 - 3 раза меньше, чем грунтов с каолинитовой основой (при одинаковом процентном соотношении фракций грунта).

3.8. Весьма сильно способствуют набуханию хорошо гидратируемые одновалентные ионы Li + , Na + , K + . чем объясняется пониженная морозоопасность грунтов, насыщенных ионами этих металлов. C увеличением валентности обменных катионов степень набухания понижается, а морозоопасность грунта возрастает. Пучение грунтов за счет миграционного влагонакопления понижается в случае насыщения катионами, составляющими следующий ряд:

Al 3+ > Fe 3+ > Ca 2+ > Na + > K + .

3.9. Введение в обменный комплекс многовалентных катионов повышает интенсивность пучения слабопучинистых (монтмориллонитовых) грунтов. У морозоопасных (каолинитовых) грунтов способность к пучению утрачивается в случае их насыщения одновалентными катионами.

Влияние влажности и источников увлажнения грунта на пучение

3.10. Морозное деформирование грунтов обусловлено их осенним (предзимним) увлажнением, на которое оказывает влияние круглогодичный цикл изменения влажностного режима, зависящий от климатических и гидрогеологических условий места обследования.

3.11. Основными источниками увлажнения сезоннопромерзающих грунтов в природных условиях служат жидкие атмосферные осадки и подземные (грунтовые и почвенные воды), залегающие на достаточно близком расстоянии от поверхности грунта. О количестве атмосферных осадков, выпадающих в осенний период, судят по долгосрочным прогнозам гидрометеослужбы.

При глубоком залегании уровня подземных вод (УПВ) или их отсутствии источников увлажнения грунтов могут быть атмосферные осадки, выпадающие в виде дождей в летне-осенний период.

В районах, где в осенний период выпадает большое количество осадков (как, например, в средней полосе и северной части СССР), грунты перед промерзанием, как правило, водонасыщены, что обусловливает их высокую интенсивность пучения. В районах с умеренным или незначительным количеством осенних осадков, где ощутим большой дефицит влажности воздуха (например, Казахстан, юго-восточная часть Сибири), пучение грунтов, в основном, обусловливается высоким залеганием грунтовых вод.

В засушливых районах, где граница промерзания не достигает каймы капиллярного поднятая, криогенная миграция может осуществляться за счет парообразной влаги, влияние которой на пучение грунтов будет тем ощутимее, чем меньше паропроницаемость слоя промерзшего грунта. Однако и в условиях слабой паропроницаемости грунтов их степень морозоопасности, как правило, не выходит за пределы слабопучинистых грунтов.

3.12. Наиболее распространенным путем увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя грунтовыми водами является капиллярное передвижение воды в пределах капиллярного поднятия от зеркала грунтовых вод. Изменение положения УПВ влечет соответствующее перемещение каймы капиллярного поднятия, зона которой в зависимости от состава и сложения грунтов может достигать 3 - 3,5 м.

3.13. Интенсивность пучения грунтов повышается при наличии подземных вод в пределах слоя сезонного промерзания или близком расположении их к границе промерзания. При увеличивающейся с глубиной предзимней влажности интенсивность пучения однородных по составу грунтов приближается к равномерной или несколько возрастает по мере продвижения границы промерзания. В условиях равномерного увлажнения однородного грунта при глубоком залегании грунтовых вод или их отсутствии интенсивность пучения с глубиной понижается.

3.14. Условия, когда подземные воды не оказывают влияния на увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя, зависят от глубины залегания УПВ перед началом промерзания, состава, сложения и глубины промерзания грунтов.

Ориентировочное минимальное расстояние между полной глубиной сезонного промерзания и предзимним положением УПВ, при котором эти воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, для основных видов грунтов приведено в табл. 1.

Влияние УПВ на увлажнение промерзающею грунта

Минимально безопасное для увлажнения промерзающих грунтов расстояние от их подошвы до УПВ, м

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎