Ключевые слова : мерзлые грунты, гидратация цемента, буровые сваи
Строительство зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах является как актуальным, проблемным, так и перспективным для стран, находящихся в северных широтах. Процесс возведения зданий на таких грунтах имеет свои особенности, неучтение которых может привести к недопустимым деформациям и, как следствие, разрушению сооружения.
Мерзлые грунты обладают нулевой или отрицательной температурой и обычно имеют высокую прочность в замороженном состоянии. Однако, при возведении зданий с положительной температурой внутри, тепловые процессы могут приводить к протаиванию грунта.
Для обеспечения нормальной эксплуатации и долговечности зданий, построенных на мерзлых грунтах, необходимо оценивать условия строительства, вид грунта и его температурные особенности, тепловой режим здания и т. п.
На сегодняшний день существуют три основных метода строительства на мерзлых грунтах, соответствующие двум принципам строительства на таких грунтах. Первый метод предполагает сохранение мерзлого состояния грунтов основания, второй и третий методы используют грунты в оттаивающем состоянии.
Первый метод сохранения мерзлого состояния грунтов основания соответствует первому принципу — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительстве и в течение всего периода эксплуатации сооружения. Данный метод целесообразно применять при достаточно устойчивом температурном режиме.
Второй и третий методы соответствуют второму принципу — вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии. Данный метод используется при неустойчивом температурном режиме мерзлых грунтов, большом количестве тепла, выделяемого зданием при эксплуатации.
Одним из распространенных технических решений для фундаментов на севере является использование свай, в особенности буровых. Существуют нормативно-технические документы, которые посвящены теплотехническим расчетам при устройстве буронабивных свай в условиях вечномерзлых грунтов. Основное внимание в этих документах уделяется вопросам обеспечения температурного режима для свай, необходимого для приобретения прочности бетона или для расчета времени достижения температуры грунта на поверхности сваи, равной 0 градусов Цельсия. Однако ни один из данных документов не рассматривает вопросы расчета или обеспечения теплового режима грунтов для свай, которые находятся в составе куста или расположены по сетке под зданием. Часто применение бетона или цементно-песчаного раствора для заполнения тел свай проводится без должного учета его теплового воздействия на долговечные замерзлые грунты основания. Расчеты нагруженных конструкций, у основания которых находятся плотные кусты буронабивных свай большого диаметра, показывают, что тепловое воздействие бетона приводит к значительному повышению температуры грунтов в основании.
Особенности устройства буровых свай в мерзлом грунте
Объемы тепловыделения при твердении цемента различаются в зависимости от его марки и состава. При неизвестных параметрах цемента можно принять среднее значение тепловыделения на уровне 335 кДж/кг. В случае адиабатического процесса твердения, тепловыделение бетона марки 7,5 приведет к повышению температуры на 32⁰C. Например, твердение бетона марки М300 выделяет до 201 мДж тепла, повышая температуру на 99,7⁰C.
Сравнительный анализ показывает, что тепловыделение цемента при воздействии на мерзлый грунт сравнимо с количеством тепла, необходимым для оттаивания грунта. Это влияет на температуру грунтов после погружения свай и может повлиять на принятие решений о строительстве.
При расчетах теплового воздействия на многолетнемерзлые грунты необходимо учитывать параметры цемента, такие как кинетика тепловыделения, температура и состав бетона, применяемые добавки.
Способ погружения свайных опор в мерзлые грунты выбирается в зависимости от комплекса условий, которые включают состояние мерзлых грунтов. В зависимости от ситуации могут применяться следующие варианты погружения опор:
— Механизированная установка опор — при этом варианте буроопускные опоры монтируются в скважины при помощи специальных механизмов. Способ монтажа опор нельзя назвать экономичным, так как привлекается дорогая грузоподъемная техника.
— Устройство фундаментного основания методом погружения свай в предварительно оттаянный грунт (оттаивание проводится специальными иглами с помощью пара или электричества). Этот способ отличается сложностью и сопряжен с высокими затратами. Монтаж свай в скважины заведомо меньшего диаметра (бурозабивной способ).
— Забивка свайных опор в вечномерзлые грунты без проведения предварительной подготовки.
Гидратация цемента и тепловое воздействие
Как уже отмечено ранее, бетон является ключевым элементом при устройстве буровых свай, но при этом гидратация считается побочным эффектом твердения цементной смеси и не применяется в практических целях, в частности при подготовке основания для использования мерзлых грунтов по принципу II.
Процесс гидратации характеризуется интенсивным выделением тепловой энергии, изменяющейся в зависимости от вида, марки и начальной температуры цемента в пределах от 188 до 419 кДж/кг. Большая часть тепловой энергии при гидратации выделяется в период с 1-х по 9-е сутки (85–90 %), оставшаяся часть (10–15 %) — вплоть до 28-го дня. Такое тепловыделение приводит к повышению температуры раствора на 20–50 °С.
Недостаточно структурированные данные о тепловом воздействии при гидратации цемента могут затруднять прогнозирование прочностных и деформационных характеристик грунтов. Проведение экспериментальных исследований позволяет более точно определить параметры влияния теплового процесса на свойства грунтов и тем самым улучшить надежность системы фундамент — грунт.
Лабораторные исследования процесса гидратации цемента показали, что изменение температуры и соотношение цемент/песок имеют существенное значение для дальнейших теплотехнических и деформационных расчетов. Грамотное применение полученных данных позволяет оптимизировать процесс строительства и повысить эффективность использования бетона в условиях мерзлых грунтов.
Анализ результатов измерения температуры цементной смеси (бетона) показал, что максимальное повышение температуры происходит примерно через сутки после начала эксперимента при начальной температуре смеси 22,0–23,2 °C, и повышался на 8–30°C в зависимости от состава смеси и соотношения компонентов. Также данные исследования [1, рис.3] наглядно демонстрируют зависимость показателей прочности от вышеуказанных характеристик, в чем можно убедиться, ознакомившись непосредственно с источником [1].
Вывод
Строительство в условиях вечномерзлых грунтов является актуальной проблемой в настоящее время и требует повышенного внимания. Неучет специфики мерзлых грунтов приводит к получению некорректной информации о величинах деформаций и, как следствие, нарушению эксплуатационного режима, а также возникновению аварийно-опасных процессов.
Тепловыделение при гидратации считается важным процессом, однако чаще всего рассматривается как побочный эффект при застывании бетона и не используется в практических целях при подготовке основ зданий и сооружений на мерзлых грунтах по принципу II.
Количество выделяемой тепловой энергии зависит от состава, объема, свойств и начальной температуры цементной смеси. Дальнейшие исследования в сочетании с теплотехническими и деформационными расчетами помогут определить необходимые характеристики для устройства свайного фундамента.
Для совершенствования предлагаемого подхода необходимо собрать фактические мониторинговые данные об изменении температуры как цементной смеси при укладке фундаментов, так и температуры окружающих грунтов.
Литература:
- Кауркин В. Д., Харичкин И. А., Иоспа А. В. Применения гидратационного тепловыделения бетона буронабивных свай при использовании грунтов основания по принципу II, 2022.
- НИИЖБ Госстроя СССР. Руководство по бетонированию фундаментов и коммуникаций в вечномерзлых грунтах с учетом твердения бетона при отрицательных температурах. Москва: Стройиздат; 1982.
- Запорожец И. Д., Окороков С. Д., Парийский А. А. Тепловыделение бетона. Ленинград — Москва: Стройиздат; 1966.
- Алексеев А. Г., Зорин Д. В. Буровые сваи, затворенные с применением химических добавок, в многолетнемерзлых грунтах
- Рязанов А. В., Усачев А. А. Тепловое воздействие свай на многолетнемерзлые грунты основания.
