Взаимодействие промерзающих пучинистых грунтов с боковой поверхностью секций водопропускных труб



Взаимодействие тел в системе промерзающий пучинистый грунт — сооружение представляет собой сложный изменяющийся во времени процесс. Показателями этого процесса являются возникшие в системе силы, напряжения и деформации. К настоящему времени известны теоретические и экспериментальные методы, применявшиеся для исследования этого процесса в сравнительно простой системе — промерзающий пучинистый грунт — одиночный фундамент. В дальнейшем будем называть эту систему «грунт-фундамент». При этом в большинстве случаев процесс взаимодействия исследуется не комплексно, а сводится к изучению отдельных его показателей, главным образом, касательных сил выпучивания, действующих на боковую поверхность фундамента.

Применяющиеся теоретические методы комплексного исследования процесса взаимодействия тел в системе Г-Ф можно свести к следующим трем:

1. Методу, основанному на анализе напряженно-деформативного состояния системы, при котором промерзающий слой грунта рассматривается как упругая пластина, закрепленная фундаментом, деформирующаяся под воздействием сил пучения;
2. Методу, базирующемуся на закономерностях процессов промерзания и пучения грунтов;
3. Феноменологическому, в котором закономерности взаимодействия промерзающего пучинистого грунта и фундамента, а также числовые показатели взаимодействия устанавливаются в результате решения полной системы уравнений, основное из которых — феноменологическое уравнение зависимости касательных напряжений в точке поверхности фундамента от размера и скорости смещения промерзшего грунта по фундаменту в данной точке — берется как результат аппроксимации графика стандартных лабораторных испытаний сопротивления сдвигу мерзлого грунта по фундаменту, остальные — составляются исходя из принятых допущений.

В большинстве случаев применения указанных методов процесс взаимодействия сводился к двухмерному.

Многочисленные экспериментальные исследования системы Г-Ф сводятся главным образом к изучению отдельных показателей процесса взаимодействия (касательных сил выпучивания, перемещений системы и др.). Реже одновременно исследуется несколько показателей. Следует отметить, что даже для такой — сравнительно простой системы — исследование касательных сил выпучивания, действующих со стороны промерзающего грунта на боковую поверхность фундамента, представляет собой сложную задачу. По этой причине в природных условиях они исследовались главным образом на моделях одиночных фундаментов. Еще более сложным являются исследования сил пучения, развивающихся в слое, находящемся на стадии активного промерзания и пучения.

Выбор методов исследования взаимодействия в системе промерзший пучинистый грунт — секция водопропускной трубы. В дальнейшем эту систему будем называть «грунт — секция трубы» (Г-СТ). Система Г-СТ более сложная, чем система Г-Ф. процесс взаимодействия здесь многогранный. Моделирование его, как в лабораторных, так и в натурных условиях является очень сложной задачей. Это исключает возможность применения феноменологического метода исследования, а также экспериментальных методов исследования числовых значений таких важнейших показателей процесса взаимодействия, как сил выпучивания, действующих на боковую поверхность секции, и сил пучения, развивающихся в промерзшем вокруг секции слое грунта, находящемся на стадии активного промерзания и пучения.

Методы исследования, в которых промерзающий пучинистый грунт рассматривается как упругая пластина, закрепленная в фундаменте, нагруженная силами пучения, сложен и недостаточно разработан для упомянутой выше более простой системы Г-Ф. По этой причине применение его для системы Г-СТ было также исключено.

Принимая во внимание вышеизложенное, для системы Г-СТ в качестве основного был выбран теоретический метод комплексного исследования взаимодействия тел в системе, базирующейся на закономерностях процессов промерзания и пучения грунтов.

Известно, что при промерзании пучинистого грунта каждый из его элементарных слоев поочередно вступает в стадии: начального промерзания, активного промерзания и пучения, дальнейшего оттаивания. Наличие в таком грунте сооружения обуславливает их силовое и деформативное взаимодействие.

Суть примененного теоретического метода исследования состоит в поэтапном (по мере промерзания грунта) выявлении напряжений, сил и деформаций во всей системе Г-СТ, вытекающих из: физических процессов, происходящих в промерзающем грунте; свойств, напряженного состояния и деформаций различных слоев промерзающего грунта; свойств самой секции трубы.

Ранее указанным методом исследована более простая система Г-Ф. Взаимодействие тел в системе Г-СТ, по сравнению с взаимодействием тел в системе Г-Ф, представляется отличным. Представляется также, что это отличие обусловлено главным образом наличием криволинейного фронта промерзания в окружающем секцию грунте (рис.1).

Рис. 1. Схема расположения талых и мерзлых слоев грунта в период, когда прилегающий к секции слой грунта находится на стадии начального промерзания: а) схема расположения талых и мерзлых слоев грунта; б) распределение температуры в грунте насыпи; I — стенка звена трубы; 2 — грунт на стадии начального промерзания; 3 — талый грунт насыпи; 4 — талый грунт земляного полотна; t_{з —} температура замерзания грунта, t_{нп —} температура начала морозного пучения грунта

Результаты исследования взаимодействия тел в системе Г-Ф положены в основу оговоренных нормами методик расчета фундаментов на выпучивание. Эти же методики рекомендуются и для расчетов выпучивание фундаментов секций водопропускных труб. В связи с этим ниже, наряду с анализом взаимодействия тел в системе Г-СТ, выявляются особенности взаимодействия тел в этих двух системах.

Стадия начального промерзания для суглинков тяжелых пылеватых по данным Г. П. Бредюка имеет место при отрицательных температурах до 0,2–0,6. Эта стадия характеризуется замерзанием части свободной или очень слабо связанной грунтовой воды и начальным формированием морозной структуры грунта. При этом пучение грунта практически не происходит.

Исходя из изложенных закономерностей процесса промерзания грунта, можно утверждать, что, аналогично тому, как в системе Г-Ф грунт, находящийся на стадии начального промерзания, смерзается с фундаментом, в системе Г-СТ произойдет смерзание грунта насыпи с боковой поверхностью звена. Рассмотрим характеристики этого смерзания.

Основными факторами, определяющими удельную прочность смерзания грунтов с различными материалами, как установлено в лабораторных условиях, являются: начальная влажность грунта, его зерновой состав, условия промерзания, физические свойства поверхности твердого тела, с которым смерзается грунт, и температура мерзлого грунта.

Зависимость удельной прочности смерзания грунта с бетонной поверхностью от влажности грунта носит, как известно, нелинейный характер. С увеличением влажности до определенного предела, равного примерно его максимальной влагоемкости, наблюдается рост прочности смерзания. Превышение указанного предела влажности приводит к уменьшению прочности смерзания.

Прилегающий к секции грунта насыпи начинает промерзать со стороны звена. В следствие этого к боковым и верхней поверхностям звена секции он будет примерзать практически одновременно, а не отдельными небольшими слоями, как в системе Г-Ф. В результате этого площадь смерзания грунта насыпи со звеном секции и, следовательно, суммарная прочность смерзания будут несоизмеримо большими, чем соответствующие площадь и прочность смерзания грунта с фундаментом в системе Г-Ф. Это — особенность системы Г-СТ. Но на данной стадии промерзания, вследствие того, что пучение грунта не происходит, она не внесет изменений в характер взаимодействия тел в системе Г-Ф: грунт насыпи будет оставаться неподвижным относительно звена, напряжений в плоскости контакта не будет, прочность контактных связей промерзающего грунта и звена будет определяться прочностью смерзания.

Прилегающий к секции слой грунта переходит в стадию активного промерзания и пучения при понижении температуры. При этом зона начального промерзания грунта переместится от поверхности звена и земляного полотна в грунт насыпи (рис.2).

Рис. 2. Схема сил пучения в системе Г-СТ в период, когда прилегающий к секции слой грунта находится на стадии активного промерзания и пучения: а) схемы расположения талых и мерзлых слоев грунта и сил пучения; б) распределение температуры в грунте насыпи; 1 — стенка звена трубы; 2 — грунт на стадии активного промерзания и пучения; 3 — то же начального промерзания; 4 — талый грунт насыпи; 5 -то же грунт земляного полотна; t_{кп —} температура прекращения морозного пучения грунта; t_з и t_{нп —} обозначения те что и на рис.1

В суглинках стадия активного промерзания и пучения имеет место в диапазоне отрицательных температур от 0,2–2 до 1,2–5°С. На этой стадии в грунте происходит возникновение и рост массивных включений льда (линз, прослоек и т. п.), т. е. сегрегационное льдообразование. Это обуславливает пучение грунта.

Пучение слоя грунта, промерзающего за стенкой звена, происходит в стесненных условиях. Свободной реализации пучения этого слоя грунта горизонтальном направлении (в направлении промерзания грунта) (см рис.2) препятствуют: с одной стороны — жесткая стенка звена, с другой — сопротивлению сжатию слоя грунта, находящегося талого грунта насыпи. Возникшие в следствии этого силы пучения σ_п создадут дополнительное (к боковому) обжатие звена. Силы пучения σ_п, и соответственно, давление обжатия звена будут ограничены значением сопротивления сжатию слоев талого грунта насыпи, прилегающих к массиву промерзшего грунта.

Так как возникновение силы пучения σ_п ориентированы к боковой поверхности звена нормально, примерзший к звену грунт будет по-прежнему неподвижен относительно звена. При этом, в связи с понижением температуры грунта в плоскости смерзания (см. рис 2,б) удельная, а следовательно, и суммарная прочности смерзания грунта насыпи со звеном увеличатся по сравнению с такими прочностями на предшествующей стадии промерзания к секции грунта.

Переход прилегающего к секции слоя грунта на стадии оттаивания (рис.3) приводит к возникновению в рассматриваемой системе качественно нового напряженно-деформативного состояния.

Рис. 3. Схема сил пучения в системе Г-СТ в период, когда прилегающий к секции слой грунта находится на стадии оттаивания. а) схема расположения талых и мерзлых слоев грунта и сил пучения; 1 — секция трубы; 2 — грунт на стадии оттаивания; 3 — то же активного промерзания и пучения; 4 — начального промерзания; 5 — талый грунт насыпи; 6 — тоже земляного полотна. б) вид зависимости ; в) то же .

На стадии оттаивания грунт характеризуется положительными температурами от 2–5°С до температуры, соответствующей началу уменьшения мерзлого грунта в объеме. При этих температурах оттаивает содержащаяся в грунте прочно связанная вода. В силу своей неподвижности она фиксируется в виде льда. Грунт переходит в пластичное состояние, прочность его на сжатие снижается, внутренне напряжение в грунте уменьшается.

Оттаивание прочно связанной воды обуславливает возникновение местных деформаций.

В естественных условиях и в системе Г-Ф такое воздействие создается давлением со стороны расположенного ниже слоя грунту, находящегося на стадии активного промерзания и пучения.

В системе Г-СТ с переходом прилегающего к секции грунта в стадию оттаивания слой, в котором грунт находится на стадии активного промерзания и пучения и в котором по-прежнему будут возникать силы пучения, будет, по сравнению с его положением на предшествующей стадии промерзания грунта, удален относительно стенок звена в сторону насыпи и вниз. При этом этот слой в пределах зоны теплового влияния трубы — l имеет нелинейную форму.

В рассматриваемый период удельные силы пучения, развивающиеся в слое активного промерзания и пучения и действующие в направлении границы раздела этого слоя с массивом твердомерзлого грунта, - будут не одинаковыми по длине слоя. Поэтому можно представить в виде функции . Так как сила зависит главным образом от сжимаемости слоя талого грунта, прилегающего к промерзшему массиву, можно, видимо, полагать, что функция имеет вид, показанный на рисунке 3.

Силу в любой точке границы твердомерзлого грунта можно представить в виде двух составляющих: — горизонтальной и — вертикальной, направленной вверх. Силы действующие с двух противоположных сторон трубы, будут создавать боковое напряжение массива твердомерзлого грунта, а через него — боковое обжатие секции.

Числовое значение связано с числовым значением в этой же точке зависимостью:

, (1)

где — угол, образованный силой и вертикалью. Этот угол для разных точек границы твердомерзлого массива будет различным. Поэтому можно также, как и , представить в виде функции — .

С учетом изложенного, зависимость будет:

(2)

Вертикальная составляющая суммарной силы пучения, действующей на полосу поверхности твердомерзлого массива шириной и длиной равной , составит:

. (3)

Интегрируя выражение (3) на участке границы твердомерзлого грунта от точки А до точки С (в пределах зоны теплового влияния трубы) и учитывая, что с противоположной стороны секции расположен аналогичный участок, получаем следующее выражение для подсчета вертикальной составляющей суммарной силы пучения, действующей на окружающий секцию массив твердомерзлого грунта:

(4)

Вынося , как независимую величину, за знак интеграла, окончательно получаем:

(5)

Сведений об исследованиях зависимости для грунтов, промерзающих вокруг секций трубы, в литературе не выявлено. Учитывая сравнительно небольшой размер зоны теплового влияния трубы, можно, очевидно, считать, что достаточную степень точности при решении практических задач обеспечит оперирование на участке от точки А до точки С постоянными в пределах однородных грунтов значениями .

Секция железобетонной трубы имеет большую жесткость и практически не деформируется под основными нагрузками как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Она должна оставаться устойчивой (в вертикальном направлении) и при воздействии на нее сил максимальных сил морозного пучения (не должна выпучиваться). Расположенный вокруг секции трубы грунт также должен оставаться неподвижным.

Структура конструкции трубы в продольном направлении состоит из тела трубы, которое в свою очередь образуется из отдельных секций, и оголовков трубы.

В этой связи параметры деформаций тела трубы (секций) и оголовков рассматриваются отдельно. Кроме того, отдельное рассмотрение деформаций этих частей трубы связано с особенностями воздействия на них нагрузок и природно-климатических факторов.

Для тела трубы могут иметь место следующие разновидности деформаций:

– осадка (просадка) секций на средних участках трубы с образованием вогнутого профиля (прогиба) лотка трубы. Значительная осадка секций происходит при замачивании грунтов основания фундамента тела трубы, при оттаивании грунтов в основании трубы в пределах насыпи;

– выпучивание концевых секций, которое происходит при наличии пучинистых грунтов, окружающих фундамент секций, при увеличении глубины промерзания грунта вследствие миграции воды в зону промерзания;

– крены секций образуются вследствие неравномерной осадки и морозного пучения по длине трубы;

– растяжка секций, приводящая к раскрытию швов между секциями. Этот вид деформаций секций возникает вследствие больших растягивающих продольных сил, возникающих от горизонтального давления грунта насыпи в плоскости подошвы фундамента; растяжка секций в наибольшей степени проявляется в случаях замачивания и оттаивания мерзлых оснований трубы.

Для оголовков труб наиболее характерными являются следующие деформации:

– продольный крен оголовков вызываемый неравномерным морозным пучением грунта;

– поперечный крен (наклон) открылков оголовка, вызываемый воздействием односторонних нормальных сил морозного пучения со стороны промерзания откосов насыпи;

– отжатие оголовка от тела трубы, возникающее по причине, аналогичной растяжки секций.

В настоящее время известен довольно широкий набор мероприятий, направленных на борьбу с действием сил морозного пучения: инженерно-мелиоративные мероприятия (тепломелиорация; гидромелиорация), строительно-конструктивные мероприятия (проектирование сооружений на столбчатых и свайных фундаментах; уменьшение количества отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору; уменьшение сечения столбчатых фундаментов и свай в пределах слоя промерзающего пучинистого грунта; применение для обмазки боковой поверхности фундаментов вязких н смерзающихся материалы, а так же гидрофобизирующих пропиток; заанкеривание фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже сезоннопромерзающего слоя и т. д.), физико-механические мероприятия (специальная обработка грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства; насыщение грунта солевыми растворами, понижающими температуру замерзания и тем самым способствующих уменьшению глубины промерзания грунта), физические противопучинистые мероприятия (метод стабилизации грунтов посредством введения в них добавок противопучинистых компенсирующих веществ, обладающих определенными объемно-деформационными свойствами) [1]. При этом существует общестроительные документы, регламентирующие методики расчетов и применение мероприятия по борьбе с морозным пучением, а также отраслевые и ведомственные методические рекомендации, в которых отражены особенности отрасли и возводимых инженерных сооружений. Так, например, в дорожном строительстве главными методами борьбы с пучинообразованием являются применение обмазок и покрытий, препятствующих их смерзанию с грунтом, снижение влажности грунтов основания, замена пучинистого грунта основания на непучинистый и, наконец, увеличение глубины заложения фундаментов.

Следовательно, не существует единого набора мероприятий, которые могут гарантированно обезопасить любое искусственное инженерное сооружение от деформаций и разрушений вследствие действия сил морозного пучения. Всегда при выборе мероприятий следует руководствоваться особенностями местных условий, применяемых материалов и конструкций, экономическим соображениям и т. д. Очевидно, что одновременное применение различных мероприятий в определенных сочетаниях позволит достичь главной цели — эффективной и безопасной работы инженерного сооружения в течение запланированного расчетного срока службы. Однако применение целых комплексов мер требует и осуществления целых комплексов затрат, что существенно удорожает стоимость строительства в целом.

На основании изложенного для обеспечения работоспособности труб, устраиваемых на пучинистых грунтах, необходимо более глубоко изучить явление морозного пучения и разработать новую конструкцию водопропускной трубы, которая будет обеспечивать надежную работу искусственного сооружения и не будет значительно увеличивать стоимость строительства в целом.

Литература:

1. Беккер А. Т. Исследование устойчивости сооружений в горизонтальном направлении на действие сил морозного пучения грунтов: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд.техн. наук — Владивосток, 1975. — 220 с.
2. Бердюк Г. П. Результаты исследования процесса пучения связных грунтов при промерзании.- В кн.: Материалы по физике и механике мерзлых грунтов, М.: АН СССР, 1959, С. 63–68.
3. Гольштейн М. И. Исследование касательных сил пучения и влияния их на фундаменты сооружений. М.: Трансжелдориздат, 1948. — 212 с.
4. Перетрухин Н. А. Взаимодействие фундаментов с промерзающим пучинистым грунтом. — В кн.: Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружения от его воздействия, М.: Транспорт, 1967, С. 74–99.
5. Перетрухин Н. А. Исследование морозного пучения суглинков. — В кн.: Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружения от его воздействия, М.: Транспорт, 1967, С.5–24.
6. Юшков Б. С., Ротт И. В. Влияние морозного пучения на подпорные стенки и разработка метода борьбы с пучинистостью. Сборник научных трудов XII НТК молодых ученых. — Пермь, 1986 — С.198–205
7. Подвальный Р. Е. Исследование силового воздействия на водопропускные трубы вдоль их оси. — Тр.ХабИИЖТа, 1969, вып.30, С.276–284.
8. Киселев М. Ф. Мероприятия против деформаций зданий и сооружений от воздействия сил морозного выпучивания фундаментов. — М. Стройиздат, 1971. — 140 с.
9. Яковлев Ю. М., Горячев М. Г. Строительство водопропускных труб на автомобильных дорогах. Москва, 2011–126 c.