Фундаменты из двуконусных свай для транспортного строительства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат наук Добрынин, Антон Олегович

• Добрынин, Антон Олегович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Добрынин, Антон Олегович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Понятие морозного пучения

1.2. Мероприятия, направленные на борьбу

с морозным пучением

1.3. Применение свай различных конструкций и дополнительного оборудования к ним как конструктивный способ борьбы

с морозным пучением

1.4. Взаимодействие свай с пучинистым грунтом

1.5. Проектирование и устройство свайных фундаментов

на пучинистых грунтах

1.6. Современные данные расчета кустов свайных фундаментов

на пучинистых грунтах

1.7. Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КУСТА ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

2.1. Цель и методика исследований. Приборы и оборудование

2.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки

2.3. Исследование взаимодействия куста из двуконусных свай

в пучинистом грунте

2.4. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КУСТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ С ОКРУЖАЮЩИМ ВОДОНАСЫЩЕННЫМ ГЛИНИСТЫМ ГРУНТОМ

3.1. Задачи исследований и методика проведения эксперимента

3.2. Инженерно-геологические условия экспериментальной площадки

3.3. Результаты комплексных исследований взаимодействия натурных кустов из двуконусных свай с окружающим водонасыщенным глинистым грунтом

3.3.1. Несущая способность и осадки кустов

3.3.2. Распределение сил трения по боковой поверхности двуконусных свай при их работе в составе кустов

в водонасыщенных глинистых грунтах

3.3.3. Распределение напряжений и деформаций в активной

зоне свайных кустов из двуконусных свай

3.4. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ КУСТА ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ГРУНТА КАК ЛИНЕЙНО-ДЕФОРМИРУЕМОГО ПРОСТРАНСТВА

4.1. Постановка задачи. Основные уравнения

4.2. Расчет сопротивления морозному пучению свайного куста

4.3. Решение осесимметричной задачи фильтрационной консолидации

4.4. Аналитический метод расчета зоны уплотнения грунтов

вокруг свайных кустов

4.5. Определение несущей способности двуконусных свай

4.6. Примеры расчета и сравнение расчетных данных

с экспериментальными

4.7. Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ КУСТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ИЗ ДВУКОНУСНЫХ СВАЙ

5.1. Расчет технико-экономической эффективности применения кустов из двуконусных свай

5.2. Назначение и область применения фундаментов в виде кустов

из двуконусных свай

5.3. Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фундаменты из двуконусных свай для транспортного строительства»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основополагающей стадией, определяющей успешное строительство любого объекта в целом, является выполнение работ нулевого цикла, особенно сложную и ответственную часть которых составляют фундаменты. В условиях широкого распространения в Сибирско-Уральском регионе сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтов устройство фундаментов транспортных сооружений, особенно на естественном основании, осложняется.

В подобных грунтовых условиях предпочтение традиционно отдается свайным фундаментам, несущими элементами которых являются призматические сваи значительной длины (6-12 м), поскольку в случае их применения несущая способность сваи по грунту превосходит силы морозного пучения, стремящиеся «вытащить» сваю. Таким образом, условие устойчивости фундамента при действии сил пучения, как правило, заведомо соблюдено, и необходимость проведения сезонных мероприятий (тепломелиорация, гидромелиорация и т.д.) отпадает. Во многих случаях такие сваи в процессе эксплуатации сооружения (тоннели, эстакады и т.д.) загружены не более чем на 15-30 % от своей максимальной несущей способности.

Применение призматических свай значительной длины обусловлено необходимостью соблюдения условия устойчивости фундамента против сил морозного пучения. Дополнительным фактором служит то, что выпуск призматических свай налажен практически на всех заводах ЖБИ, они достаточно технологичны как при изготовлении, так и при забивке. В то же время сегодня разработано несколько типов свай, обладающих повышенной сопротивляемостью силам морозного пучения. Это ромбовидные, двуконусные сваи, сваи с уширениями и т.д., позволяющие обеспечивать устойчивость фундамента при действии сил морозного пучения и обладающие достаточной несущей способностью для устройства на них инженерных транспортных сооружений. Исследованиями ученых, разработавших такие типы свай доказа-

на экономическая эффективность их применения по сравнению с призматическими сваями, экономический эффект составляет 10-30% в рублях и до 40 % в материалах для изготовления свай.

В Пермском государственном техническом университете на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» была обоснована рациональная конструкция сваи, сочетающая положительные стороны пирамидальных и трубчатых свай, - полая коническая свая.

Разработкой конструкции сваи, изучением её работы и обоснованием рациональности её конструкции занимались А.А.Бартоломей, Б.С. Юшков, А.Б.Пономарев, В.Г.Офрихтер.

Однако конструкцию конических и полых конических свай, на наш взгляд, можно усовершенствовать с точки зрения их сопротивляемости силам морозного пучения, что весьма актуально в условиях территорий Российской Федерации, характеризующихся продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов.

Конструкцией, вобравшей в себя преимущества конической сваи и обладающей повышенной сопротивляемостью действию сил морозного пучения, стала двуконусная свая, разработанная на кафедре «Основания, фундаменты и мосты» ПГТУ Б.С. Юшковым, Д.С. Репецким и автором данной работы (авторское свидетельство на полезную модель РФ № 42234). Изучению работы одиночной двуконусной сваи посвящена диссертационная работа Д.С. Репецкого [68]. В транспортном строительстве одиночные сваи применяются крайне редко, поэтому для широкого внедрения двуконусных свай в производство необходимо исследовать особенности взаимодействия фундаментов из таких свай с окружающим грунтом, разработать методы расчета несущей способности и осадок.

Объект исследования: фундаменты из двуконусных свай, внедренные в сезоннопромерзающие водонасыщенные глинистые грунты, относящиеся по действующей классификации к пучинистым, для устройства несущих элементов транспортных сооружений.

Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние во-донасыщенного пучинистого грунтового основания при взаимодействии его с фундаментами из двуконусных свай.

Цель диссертационной работы: разработка и расчетное обоснование эффективного способа устройства фундаментов из двуконусных свай для транспортных сооружений на водонасыщенных пучинистых глинистых грунтах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы основные задачи исследований:

- изучить закономерности изменения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, погруженных в водонасыщенный пучинистый грунт в составе фундамента в виде куста от действия сил морозного пучения;

- выявить особенности взаимодействия фундаментов из двуконусных свай и одиночной сваи по результатам статических испытаний и определения несущей способности, сил трения по боковой поверхности свай, изучения распределения напряжений и деформаций в активной зоне;

- разработать методику расчета величины вертикального перемещения фундамента из двуконусных свай силами морозного пучения.

Научная новизна работы заключается в том, что на основании результатов экспериментально-теоретических исследований выявлены закономерности совместной работы фундаментов из двуконусных свай с водонасыщен-ным глинистым грунтом, которые позволили разработать аналитический метод расчета вертикальных перемещений фундаментов от действия сил морозного пучения.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается:

- использованием в работе стандартных методов исследования, основанных на применении современных представлений о сопротивлении материалов, механике деформирования грунтов, теории упругости;

- выполнением комплексных полевых экспериментальных исследований с помощью апробированных контрольно-измерительных комплексов, тарированных первичных преобразователей и поверенных средств измерения;

- сравнением полученных в работе экспериментальных результатов с аналитическими данными и данными других исследований;

Практическое значение работы. Диссертация является продолжением экспериментально-теоретических исследований свайных фундаментов, ведущихся в течение ряда десятилетий на кафедре «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета (ранее - кафедра «Основания, фундаменты и мосты» ПЛИ, ПГТУ). Практическая ценность заключается в доказательстве экономической эффективности использования фундаментов в виде кустов из двуконус-ных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах на основе разработанной методики расчета, позволившей приблизить несущую способность сваи по материалу к несущей способности грунта.

Результаты исследования реализованы:

- в проекте конструкций фундаментов при обустройстве нефтегазовых скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» силами предприятия 000«Урал-Тайзер», г. Пермь. Экономический эффект составил 314 тыс. руб. в ценах 2011 г. (Акт внедрения научно-исследовательской работы ГОУВПО ПНИПУ-ООО «Урал-Тайзер» от 29.03.2013 г.);

- в разработке «Рекомендаций по применению фундаментов из двуко-нусных свай на пучинистых грунтах транспортных сооружений». Документ утвержден на уровне Министерства транспорта Пермского края;

- в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при подготовке курсов лекций по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты транспортных сооружений» для студентов, обучающихся по учебным планам специальностей САД и МТТ.

Апробация работы. Результаты исследований, описанных в диссертационной работе, были освещены на международной геотехнической конференции «Геотехнические проблемы строительства крупномасштабных и уникальных объектов» (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на областной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья-2004»; на 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (г. Пермь, 2005 г.); на Всероссийской научно-технической конференции по проблемам проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог (г. Пермь, 2005-2012 гг.);

Личный вклад автора состоит:

- в участии в разработке конструкции двуконусной сваи для сезонно-промерзающих грунтов (патент РФ на полезную модель № 42234 «Свая»);

- в получении результатов комплексных натурных экспериментальных исследований, их анализе и обобщении;

- в обосновании расчетной схемы и разработке методики расчета вертикального перемещения фундаментов в виде кустов из двуконусных свай, вызванного силами морозного пучения.

На защиту выносятся:

- закономерности изменения вертикальных перемещений кустов из двуконусных свай в сезоннопромерзающих водонасыщенных глинистых грунтах от действия сил морозного пучения, выявленные на основании выполненных комплексных экспериментально-теоретических исследований;

- расчетная схема и инженерный метод определения величины вертикальных перемещений двуконусных свай, работающих в составе кустов, от действия сил морозного пучения;

- выявленные закономерности несущей способности фундаментов из двуконусных свай, сил трения по боковой поверхности свай, распределения

напряжений и деформаций в активной зоне основания на основе результатов комплексных экспериментальных исследований;

- основные выводы и рекомендации по применению фундаментов в виде кустов из двуконусных свай;

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, и две статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК, получен патент РФ № 42234 «Свая» (полезная модель).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов основного содержания, заключения, списка литературы из 114 наименований, из них 7 на иностранных языках. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 10 таблиц.

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета под руководством кандидата технических наук, профессора Б.С. Юшкова.

ГЛАВА 1. МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ФУНДАМЕНТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Понятие морозного пучения

Под морозным пучением понимается местное поднятие поверхности грунта, вызываемое увеличением его объема при промерзании. При промерзании пучение грунта обусловлено раздвиганием скелета грунта кристаллами льда, растущими за счет воды, находящейся в промерзающем слое, и главным образом за счет воды, подтягиваемой в него из нижележащих слоев за счет разности температур.

Морозное пучение грунтов происходит неравномерно, это обусловлено неоднородностью грунтов (как по виду грунта, так по зерновому составу и влажности), слагающих промерзающий массив. В зависимости от этого и глубина промерзания по площади замерзающего массива грунта может варьироваться в достаточно широких пределах, вызывая неравномерные поднятия поверхности грунта.

При оттаивании происходят неравномерные осадки и, кроме того, размягчение переувлажненного грунта и потеря им несущей способности.

Вследствие этого опасного явления происходят деформации фундаментов зданий и сооружений, земляного полотна автомобильных и железных дорог, эстакад и путепроводов, малых мостов и водопропускных труб, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик функционирующих объектов, а в некотооых случаях делает небезопасной или невозможной их

А У ' '

дальнейшую эксплуатацию. Исправление дефектов конструкций, подверженных морозному пучению, является весьма затратным и технически сложным мероприятием.

Исследованиями в области морозного пучения грунтов занимались многие ученые. Само определение «пучение грунта» звучало в интерпретации первых исследователей по-разному:

Русский инженер П.Н. Любимов дал такое определение морозному пучению грунтов - «пучины на железных дорогах»: «Пучиною называется... местное поднятие полотна, зависящее от присутствия под ним в пределах промерзания насыщенных водою грунтов и вызывающее зимой и в начале весны такого рода неправильности в положении верхнего строения железнодорожного пути, которое нарушает спокойствие и безопасность движения поездов» [50].

Я.И. Быков определяет морозное пучение грунтов следующим образом: «Будем впредь называть пучением всякое вертикальное перемещение вверх как самого грунта, так и заключенных в него предметов, происходящее вследствие замерзания и расширения грунта» [12]. Автор говорит о вертикальном перемещении, хотя, как мы сейчас понимаем, оно почти никогда не может быть строго вертикальным.

М.И. Сумгин дает свое определение такого содержания: «Пучением грунтов мы называем в обобщенном понимании деформации поверхности почвы, заключающиеся в поднятии, а затем опускании этой поверхности» [86]. Данный исследователь к пучению грунтов относит также процесс, происходящий при оттаивании мерзлого грунта, а именно частичное оседание (осадку) под собственным весом.

H.A. Цытович дает следующее определение пучения грунтов: «Пучение грунтов при замерзании вызывается увеличением объема воды при переходе из жидкого состояния в твердое и образованием ледяных прослоек и линз» [101]. Указанный автор в своем определении делает акцент на причине явления пучинообразования - замерзание воды в грунте.

Исследователи, работавшие в более позднее время, по-своему трактовали понятие «морозное пучение грунта»: «Под морозным пучением грунтов подразумевается их свойство при определенном сочетании гидротермических условий в пределах сезонного промерзания увеличиваться в объеме под действием сил кристаллизации льда при фазовых превращениях содержащейся в грунте и подтягиваемой дополнительно воды к кристаллам льда.

Внешнее проявление этого свойства грунтов заключается в неравномерном поднятии дневной поверхности за счет образования ледяных включений» (М.Ф. Киселев [42]). Данное определение более полно отражает причины и последствия данного явления.

В.О. Орлов дает определение следующего содержания: «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 образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.п. Внешним проявлением морозного пучения служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании» [55].

В этом определении явление рассматривается как деформирование в объеме грунта при промерзании, то есть автор указывает, что процесс пучения грунта происходит во всех направлениях пространства.

Еще одно определение дано Б.И. Далматовым: «Морозным пучением называется увеличение объема грунта при промерзании в результате перехода воды в лед и миграции влаги к фронту промерзания. Пучинистыми обычно называют грунты, которые при промерзании в условиях естественного залегания способны увеличиваться в объеме» [29]. Во второй части этого определения видна попытка классификации грунтов на пучинистые и непучинистые. Данное определение, на взгляд соискателя, наиболее полно и в то же время кратко и ёмко описывает сущность такого явления, как морозное пучение грунта.

В документе «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» [70] дано еще более полное определение явления морозного пучения грунтов: «Пучинистыми (морозоопасными) грунтами называются такие грунты, которые при промерзании обладают свойством увеличивать свой объем при переходе их в мерзлое состояние. Изменение объема грунта обнаруживается в природных условиях в поднятии дневной

поверхности в процессе промерзания и опускании ее при оттаивании. В результате этих объемных изменений происходят объемные деформации, что и наносит повреждения основаниям, фундаментам и надфундаментному строению зданий и сооружений».

Еще в конце XIX в. работавший в Санкт-Петербурге ученый С.Г. Вой-слав указал на влияние роли миграции воды к фронту замерзания на величину морозного пучения.

Проблемой морозного пучения грунтов в первой половине XX века занимались такие ученые, как П.И. Андрианов, Г.А. Бесков, Я.С. Богданов,

A.Я. Боженова, Ч.А. Гогентоглер, М.Я. Гольдштейн, Я.Я. Морарескул., М.И. Евдокимов-Рокотовский, В.Ф. Жуков, H.H. Иванов, П.Н. Любимов, П.И. Мельников, Л.А. Мейстер, Н.В. Орнатский, Н.И. Салтыков, Я.Я. Тулаев, О.С. Тэбер, А.Е. Федосов, О.И. Финк, М.Я. Чернышев и др.

Продолжили исследования Л.Г. Абрамов, Я.Д. Кочерова, К.И. Беляев, Г.Я. Бредюк, В.А. Бялынпцкий, Ю.Е. Залетное, Л.И. Лоренцова, С.С. Вялое, Я.И. Егоров, С.И. Гапеев, Г.Ф. Горяинов, Б.И. Далматов, А.И. Дементьев, Я.А. Дорман, М.К. Дружинин, A.M. Горелик, К.В. Егерев, В.М. Егоров,

B.М. Соколова, Р.В. Жаброва, Ю.К. Зарецкий, Н.Е. Зарубин, И.А.Золотарь, В.М. Карпов, М.Ф. Киселев, Г.И. Костиненко, Ю.Г. Куликов, A.B. Лыков, Г.П. Мазуров, Э.А. Маров, Б.Н. Мельников, В.Б. Швец, Н.Д. Меренков, В.О. Орлов, Ю.Д. Дубнов, A.B. Паталеев, A.C. Алаев, H.A. Перетрухин, М.П. Полтев, В.П. Пономарев, H.A. Пузаков, В.И. Пусков, A.M. Пчелинцев, К.Ф. Рябов, P.M. Саркисян, В.М. Соколова, Д.А. Соколов, О.В. Снежко, В.А. Тимошенко, Я.А. Толкачев, И.А. Тютюнов, З.А. Нерсесова, В.Я. Ушка-лов, В.И. Федороов, Н.Я. Федорова, Я.Ч. Хархута, Ю.М. Васильев, В.А. Чер-кашин, Н.П. Чубарова, Б.И. Коченгин, Б.Л. Тарасов, А.П. Васильев, O.P. Голли, A.A. Бартоломей, Б.С. Юшков, И.А. Афанасьев и др.

Большинство исследователей сходится во мнении, что при замерзании вода, увеличиваясь в объеме примерно на 9 %, является причиной морозного пучения грунта, который, в свою очередь, может при этом увеличиться в

объеме на 4...5 %. Однако величина морозного пучения грунтов может достигать до 10 % и более (чрезмернопучинистые грунты), а значит, происходит подпитка промерзающего слоя дополнительной влагой из теплых, нижележащих слоев. Ученые назвали этот процесс миграцией влаги к фронту промерзания, механизмы такой миграции физически сложны и многообразны. Существует большое количество теорий, выдвинутых такими известными учеными, как H.A. Цытович [99], A.A. Ананян [2-5], Э.Д. Ершов [34-37], М.Н. Гольдштейн [21], И.А. Тютюнов [91-94] и др.

При этом единой теории миграции влаги нет, так как существует много взаимовлияющих и взаимоисключающих факторов. Различные механизмы переноса влаги могут действовать одновременно или попеременно в зависимости от изменений множества внешних и внутренних факторов системы. Можно спорить о том, какие механизмы лежат в основе морозного влагопе-реноса, но очевидно, что по порам и капиллярам вода из нижележащих слоев мигрирует к зоне промерзания, дополнительно подпитывая промерзающий грунт и еще более усугубляя процесс морозного пучения.

Итоговая величина морозного пучения грунта зависит от множества факторов:

- зерновой и минералогический состав грунта;

- плотность и влажность грунта в период морозного влагонакопления и промерзания;

- способность грунта сопротивляться промерзанию (теплофизические, теплоизоляционные свойства);

- геологические и гидрологические условия местности;

- климатические условия района;

- условия взаимодействия грунта с конструкциями сооружения.

Рассмотрим основные закономерности, прослеживающиеся при морозном пучении грунтов.

Условно все грунты можно разделить на две группы - склонные к морозному пучению и не склонные к нему. Существуют более детальные клас-

сификации грунтов по степени пучинистости, например классификация в соответствии со СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги», которая приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Группы грунтов Степень пучинистости Относительное морозное пучение образца, %

I Непучинистый Менее 1,0

II Слабопучинистый Свыше 1,0 до 4,0

III Пучинистый Свыше 4,0 до 7,0

IV Сильнопучинистый Свыше 7,0 до 10,0

V Чрезмернопучинистый Свыше 10,0

Наиболее опасными с точки зрения возможности пучинообразования считаются тонкодисперсные грунты, содержащие большое количество пылевидно-глинистых частиц размером менее 0,05 мм. Особенно опасными считаются грунты, содержащие пылеватые частицы (d= 0,05...0,005 мм), так как эти частицы обладают большой удельной поверхностью и по сравнению с глинистыми частицами {d < 0,005 мм) способны присоединять и связывать большее количество воды. Дело в том, что глинистые частицы, хоть и обладают еще большей по сравнению с пылевидными удельной поверхностью, но способны связывать поровую воду, она становится частью кристаллической решетки минералов глины. Такая вода, не являясь больше свободной, частично исключается из процесса замерзания.

Грунты, в которых преобладают частицы размером более 0,1 мм считаются не склонными к морозному пучению в открытых системах. В таких грунтах миграция свободной воды к фронту промерзания практически отсутствует, что подтверждено исследованиями [20, 85, 95].

Минералогический состав оказывает влияние на склонность к морозному пучению грунтов в тонкодисперсных системах (в основном глины и суглинки), в то время как для песчаных и крупнообломочных грунтов это влияние не прослеживается.

Наиболее пучинистыми из глинистых минералов считаются каолинит и гидрослюда, наименее пучинистыми - монтмориллонит и бентонит. Частицы каолинита и гидрослюды в малой степени подвержены набуханию, не связывают свободную воду, и это свойство роднит их с пылевидными частицами. Монтмориллонит и бентонит, напротив, способны присваивать воду, втягивая ее внутрь кристаллической решетки, при этом набухая и увеличиваясь в объеме.

Не последнюю роль при прогнозировании величины возможного морозного пучения играют физические характеристики грунта, такие как влажность (РГ), плотность (р), пористость (п). Пылеватые и глинистые грунты, имеющие низкую плотность и характеризующиеся большим количеством пор, даже при условии их значительного увлажнения могут не подвергаться морозному пучению, так как замерзающая вода способна размещаться в порах, не нарушая скелет грунта. Грунты, уплотненные до высокого коэффициента уплотнения (Ку > 0,98), практически не имеют пор и капилляров, поэтому в меньшей степени подвержены морозному влагонакоплению, а следовательно, при прочих равных условиях, в меньшей степени подвержены морозному пучению по сравнению с грунтами, находящимися в состоянии природной естественной плотности, и грунтами, имеющими недостаточную степень уплотнения (Ку < 0,95...0,98).

Некоторыми исследователями вводится понятие «порог пучения», или «критическая влажность», под которым понимается влажность, ниже которой пучение не возникает ни при каких обстоятельствах [55]. Многие авторы численно «привязывают» значение критической влажности к таким характеристикам глинистых грунтов, как влажность на границе раскатывания или влажность на границе текучести. Например, в работе А.П. Васильева [14] в качестве такой границы принята относительная влажность более 0,75 от влажности на границе текучести грунта в период морозного влагонакопле-ния. В данной ситуации представляется очевидным лишь то, что чем выше влажность грунта и чем выше вероятность возможности морозного влагона-копления, тем больше риск интенсивного процесса морозного пучения.

Пучение грунта зависит также от таких климатических характеристик, как режим промерзания грунта, скорость промерзания грунта, максимальная глубина промерзания, количество осадков в предзимний период, высота и время установления снежного покрова, даты перехода через отметку О °С осенью и весной и др. Глубина промерзания при этом играет решающую роль и может быть принята за интегральный показатель климатических факторов. Чем больше глубина промерзания, тем больше абсолютное значение величины морозного пучения. При одних и тех же условиях промерзшая на глубину 0,5 м толща грунта, имеющего характеристику относительного морозного пучения 10 %, может дать до 5 см абсолютного значения поднятия дневной поверхности, а промерзшая на глубину 1,5 м толща грунта - до 15 см абсолютного значения.

Исследованиями влияния различных факторов на глубину промерзания занимались многие ученые. Теплофизические свойства грунтов в мерзлом и талом состоянии изучали В.К. Щёколов [106], Т.В. Дьячкова [32], B.C. Петров [58], A.C. Кондратьева [43], Г.В. Порхаев и Г.М. Фельдман [61] и др.

Влажность грунта и ее влияние на процесс пучинообразования исследовали Б.И. Долматов [28], Т.Н. Жесткова [38], В.М. Соколова [82] и др.

Климатические условия и их влияние на процесс морозного пучения оценивал еще в конце XIX в. JI. Апостолов [6], а позже М.В. Заварина [39], Н.М. Фролов [96], Г.А. Череменский [103] и др.

Большое внимание исследователи разных лет уделяли и вопросам воздействия сил морозного пучения на погруженные в грунт фундаментные конструкции. Характер и степень воздействия этих сил на фундаменты зависит в первую очередь от глубины его заложения. При этом различают касательные силы пучения и нормальные силы пучения.

Нормальные силы пучения действуют в вертикальном направлении (по нормали к подошве фундамента) и в горизонтальном направлении (как бы обжимая фундамент в горизонтальном направлении со всех сторон).

Касательные силы пучения действуют по боковой поверхности фундамента, и величина их во многом зависит от прочности смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Добрынин, Антон Олегович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абжалимов Р.Ш. К определению выпучивания малозаглубленных фундаментов на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах // Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчёта и инженерная практика: материалы междунар. конф. по геотехнике. - СПб., 2005. - С. 11-17.

2. Ананян A.A. Исследование процессов промерзания влаги и образование сегрегационного льда в замерзающих и мерзлых горных породах // Сб. тр. Гидропроекта. - № 3. - М., 1960.

3. Ананян A.A. Перемещение влаги в мерзлых горных породах под влиянием сил осмоса // Коллоидный журнал. - 1952. - Т. XIV, № 1. - С. 1-9.

4. Ананян A.A. Природа воды в тонкодисперсных породах и особенности её кристаллизации // Материалы II Междунар. конф. по мерзлотоведению. - Вып. 4. - Якутск, 1973.

5. Ананян A.A., Москвитина Е.В. О миграции влаги в промерзающих тонкодисперсных породах в условиях закрытой системы // Мерзлотные исследования. - Вып. 6. - М.: Изд-во МГУ, 1966.

6. Апостолов Л. Средние суточные температуры на поверхности земли под снегом // Метеорологический вестник. - 1893. - № 6. - С. 246-250.

7. A.c. № 1240093 СССР, МКИ Е 02 D 5/30. Свая / М.И. Фидаров, И.Д. Зангиева, В.И. Тибилов, В.И. Пензев; опубл. 20.08.1984, Бюл.№ 23.

8. A.c. № 691522 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Опора, возводимая на пучинистых грунтах / А.И. Горжени, Я.В. Солодовник, А.Я. Солодовник; опубл. 15.10.1979, Бюл.№ 38.

9. A.c. № 779505 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Опора, возводимая на пучинистых грунтах / А.И. Горжени; опубл. 15.11.1980, Бюл.№ 42.

10. A.c. № 945282 СССР, МКИ Е 02 D 5/22. Свая / А.И. Горжени; опубл. 23.07.1982, Бюл.№ 27.

11. Бартоломей A.A. Исследование осадок свайных фундаментов при однорядном расположении свай: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1965.

12. Быков Я.И., Каптеров П.Я. Вечная мерзлота и строительство на ней. -М.: Трансжелдориздат, 1940.

13. Быховцев В.Е., Винокуров Е.Ф. Метод определения поля напряжений и перемещений вокруг одиночной сваи, находящейся в нелинейно-деформируемой среде // Основания, фундаменты и механика грунтов: материалы III Всесоюз. сов. - Киев: Будивельник, 1971.

14. Васильев А.П., Яковлев Ю.М., Коганзон М.С. Реконструкция автомобильных дорог. Технология и организация работ: учеб. пособие / МАДИ (ТУ).-М., 1998.

15. Вострецов O.K. Исследование работы свайных фундаментов опор линий электропередачи и подстанций в промерзающих пучинистых грунтах: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1979. - 201 с.

16. Вялов С.С. Прочность и ползучесть мёрзлых грунтов и расчёты льдогрунтовых ограждений. - М.: Изд-во АН СССР, 1982. - 254 с.

17. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мёрзлых грунтов. - М.: Изд-во АН СССР, 1959. - 120 с.

18. Голли O.P. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве: дис. ... д-ра техн. наук. - СПб., 2000. - 370 с.

19. Голубков В.Н. Несущая способность свайных оснований. - М.: Машстройиздат, 1950.- 143 с.

20. Гольдштейн М.И. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании. - М.: Трансжелдориздат, 1948. -211 с.

21. Гольдштейн М.Н. О миграции влаги в промерзающих грунтах // Вестник инженера и техника. - 1949. - № 4.

22. ГОСТ 19804-91. Сваи железобетонные. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1992.

23. ГОСТ 21217-87. Грунты. Метод полевого определения удельных касательных сил морозного пучения. - М.: Издательство стандартов, 1988.

24. ГОСТ 21.302-96. Условные графические обозначения в документации по инженерно-геологическим изысканиям. -М.: Изд-во стандартов, 1997.

25. ГОСТ 24847-81. Грунты. Методы определения глубины сезонного промерзания. -М.: Госстандарт, 1987. - 10 с.

26. ГОСТ 26262-84. Грунты. Методы полевого определения глубины сезонного оттаивания. - М.: Госстандарт, 1985. - 5 с.

27. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундамент сооружений. - Л.: Госстройиздат, 1957. - 60 с.

28. Далматов Б.И. О зависимости пучения и влагопроводящих свойств грунта от начального их состояния // Тр. III Междунар. конференции по мерзлотоведению, 1975.-Вып. 8.

29. Далматов Б.И., Ласточкин В.С. Устройство газопроводов в пучини-стых грунтах. - Л.: Недра, 1978.

30. Дорошкевич Н.М. Исследование напряжений в грунте при свайных фундаментах: дис. ... канд. техн. наук. - М.: Изд-во МИСИ, 1959.

31. Дорошкевич Н.М. О распределении напряжений в свайных фундаментах // Научные доклады высшей школы. Строительство. - 1958. -№ 4.

32. Дьячкова Т.В., Серова Н.В. Теплофизические свойства снега // Труды ГГО. - Л.: Гидрометеоиздат, 1960. - С. 76-78.

33. Елгин Е.В. Исследование морозного пучения грунтов и его воздействие на фундамент в условиях Читинской области // Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах: материалы всесоюз. сов. в г. Воркуте.-М., 1981.-С. 194.

34. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенная структура в дисперсных породах. - М.: Изд-во МГУ, 1979. - 216 с.

35. Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенная текстура. - М.: Изд-во МГУ, 1979.-214 с.

36. Ершов Э.Д., Чеверев В.Г. Исследование коэффициента потенциало-проводности массопереноса в дисперсных грунтах // Тепломассообмен. -Минск, 1972.

37. Ершов Э.Д., Чеверев В.Г., Климов В.И. Миграция грунтовой влаги в естественном гравитационном и температурном поле // Мерзлотные исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1973. - № 13. - С. 191-198.

38. Жесткова Т.Н., Шур Ю.Л. О влажности талого грунта на границе промерзания // Вестник МГУ. - Геология. - 1974. - № 4,

39. Заварина М.В. О методах расчета максимальной глубины промерзания почвы // Труды ГГО. - Вып. 246. - Л., 1969.

40. Зекин В.Н. Взаимодействие коротких буронабивных свай с сезон-нопромерзающими пучинистыми грунтами: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -М., 1986.-20 с.

41. Зоценко Н.Л., Завалий Б.И. Исследование работы коротких пирамидальных свай уплотнения в условиях сезонного промерзания-оттаивания // Совершенствование проектирования и устройства свайных фундаментов: материалы науч.-техн. сов. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1977. - С. 23-28.

42. Киселев М.Ф. Мероприятия против деформации зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов. - М.: Стройиздат, 1971.

43. Кондратьева A.C. Теплопроводность снегового покрова и физические процессы, происходящие в нём под влиянием температурного градиента // Физико-механические свойства снега и их использование в аэродромном и дорожном строительстве. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1995. - С. 14-28.

44. Крицкий М.Я. Исследование совместной работы свай в фундаменте на действие сил морозного пучения грунтов: дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 1992.

45. Кудинов В.И. Работа внецентренно нагруженных свайных фундаментов и расчет их несущей способности: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1984.

46. Кульчицкий Г.Б., Хамидуллин К.А. Определение несущей способности ромбовидных свай // Проблемы устройства оснований и фундаментов Тобольского нефтехимического комплекса: материалы науч.-практ. конф. -Тюмень, 1976. - С. 65-69.

47. Кульчицкий Г.Б., Хамидуллин К.А. Расчёт устойчивости ромбовидных свай в пучинистых грунтах // Проблемы устройства оснований и фундаментов Тобольского нефтехимического комплекса: материалы науч.-практ. конференции. - Тюмень, 1976. - С. 83-87.

48. Луга A.A. Исследование работы маломасштабных свайных фундаментов в песчаных грунтах на осевую нагрузку // Основания и фундаменты. -М.: Трансжелдориздат, 1955.

49. Луга A.A. О несущей способности кустов вертикальных забивных висячих свай на вертикальную нагрузку // Докл. АН СССР. - 1954. - № 3, Т. 95.

50. Любимов П.Н. Пучины на железных дорогах и меры к их устранению.-М., 1925.

51. Маров Э.А. Определение касательных и нормальных сил морозного пучения в полевых условиях // Материалы по проектированию сложных фундаментов и оснований и по производству изысканий: сб. науч. тр. / Фун-даментпроект - М., 1974. - Вып. 14. - С. 40-49.

52. Методические рекомендации по предотвращению выпучивания свайных опор мостов / ЦНИИС Минтрансстроя. - М., 1973.

53. Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах: учеб. пособие. - М.: АСВ, 2000. - 152 с.

54. Оржеховский Ю.Р., Оржеховская Р.Я. Прогноз деформаций фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах // Тр. Перм. политехи, ин-та, 1983.-С. 69-74.

55. Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Я.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. - Л.: Стройиздат, 1977.

56. Офрихтер В.Г. Взаимодействие кустов из конических пустотелых свай с окружающим грунтом: дис. ... канд. техн. наук / Перм. гос. техн. ун-т. -Пермь, 1994.

57. Перетрухин H.H. Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружений от его воздействий. - М.: Транспорт, 1967. - Вып. 62. - С. 25-54, 74-99.

58. Петров B.C. Природа и закономерности развития деформаций пучения в промерзающих и оттаивающих дисперсных грунтах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -М., 1981. -24 с.

59. Пилягин A.B. Исследование осадок свайных фундаментов: дис. ... канд. техн. наук. - Д.: Изд-во ЛИСИ, 1969.

60. Пономарев А.Б. Основы исследований и расчета фундаментов из полых конических свай / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1999.

61.Порхаев Г.В., Фельдман Г.М. Теплофизика промерзающих и протаивающих грунтов. - М.: Наука, 1964.

62. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). - М., 1986.

63. Пусков В.И. Силовые воздействия морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений и методы их расчета: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1993.

64. Пчелинцев A.M. Строение и физико-механические свойства мёрзлых грунтов. - М.: Наука, 1964. - 260 с.

65. Радд Ф.Д., Ортле Д.Х. Экспериментальные исследования давления на механизм морозного пучения и расплавления льда в грунтах и ледниках // II Междунар. конф. по мерзлотоведению. - Якутск, 1975. - Вып. 8. - С. 232243.

66. Рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов на пучинистых грунтах; ЦНИИЭПсельстрой. - М., 1989.

67. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. — М.: Стройиздат, 1986.

68. Репецкий Д.С. Работа двуконусных свай в пучинистом грунте: дис. ... канд. техн. наук. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011.

69. Рукавишникова Н.Е. Прогноз осадок кустов свай в водонасыщен-ных глинистых грунтах: дис. ... канд. техн. наук / Перм. политехи, ун-т. -Пермь, 1977.

70. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. -М.: Стройиздат, 1979.

71. Сажин B.C., Шишкин В.Я. Взаимодействие пирамидальных свай с пучинистыми грунтами // Проектирование и инженерные изыскания. -1986.-№ 1.-С. 32-34.

72. Сажин B.C., Борщев В.В., Сажин A.B. Исследование взаимодействия фундаментов с пучинистыми грунтами зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения // Методы статических и теплофизических расчётов.-М., 1961.-С. 68-78.

73. Сальников Б.А. Исследование несущей способности свайных фундаментов на слабых глинистых грунтах: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1969.

74. Сафонов А.П. Исследование выпучивания свай при промерзании грунта // Проблемы устройства оснований и фундаментов Тобольского нефтехимического комплекса: материалы науч.-практ. конф. - Тюмень, 1976. -С. 43-45.

75. Сирожиддинов 3. Несущая способность кустов свай в слабых водо-насыщенных глинистых грунтах при внецентренной нагрузке: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1978.

76. СН 509-78. Инструкция по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. - М.: Стройиздат, 1979.

77. СНиП 2.02.01-83(2000). Основания зданий и сооружений. - М.: Госстрой, 1985. - 66 с.

78. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты; Минстрой России; ГП ЦПП.-М., 1995.

79. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. -М., 1990.

80. СНИП 23.01-99. Строительная климатология. - М.: Госстрой, 2000. -

65 с.

81. СНиП 32-04-97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. - М.,

1998.

82. Соколова В.М. Исследования зависимости деформаций грунтов при замерзании от начальной влажности // Сб. науч.-исслед. работ НИИОСП. -Вып. 52, 1963.-С. 42-62.

83. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М., 2005.

84. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М., 2004.

85. Общее мерзлотоведение / М.И. Сумгин, С.П. Качурин, Н.И. Тол-стихин, В.Ф. Тумель. - М.: Изд-во АН СССР, 1940.

86. Сумгин М.И. Физико-механические процессы во влажных и мерзлых грунтах. - М.: Транспечать, 1929.

87. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. -

576 с.

88. Толмачёв Н.А. Экспериментальные исследования нормальных сил морозного пучения грунтов // Мероприятия против морозного пучения грунтов и его вредное влияние на фундаменты: сб. науч. тр. НИИОСП. - М., Стройиздат, 1963. - Вып. 52. - С. 91-116.

89. ТУ 65-163-76. Технические условия на сваи забивные железобетонные ромбовидные. - Тюмень: [б. и.], 1976. - 22 с.

90. Туренко И.И. Теоретическое исследование взаимодействия промерзающего пучинистого грунта с боковой поверхностью столбчатого фундамента: дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1973. - С. 102-117.

91. Тютюнов И.А. Миграция воды в грунтах // Исследования по физике в механике мерзлых грунтов. - № 4. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - С. 7-21.

92. Тютюнов И.А., Нерсесова З.А. Природа миграции воды в грунтах при промерзании и основы физико-химических приемов борьбы с ними. -М.: Изд-во АН СССР, 1963.

93. Тютюнов И.А. Теория миграции воды и пучения грунтов при промерзании // Физико-химические процессы в промерзающих грунтах и способы управления ими. - М.: Стройиздат, 1974.

94. Тютюнов И.А. Фазовые превращения воды в грунтах, природа ее миграции и пучения // Доклады на международной конференции по мерзлотоведению. - М., 1963.

95. Федосов А.Е. Физико-механические процессы в грунтах при их промерзании и оттаивании. -М.: Трансжелдориздат, 1935.

96. Фролов Н.М. Температурный режим гелиотермозоны. - М.: Недра,

1968.

97. Хамидуллин К.А. Исследование работы ромбовидных свай в сильно-сжимаемых пучинистых грунтах: дис. ... канд. техн. наук. - М., 1978.

98. Прогноз скорости осадок оснований сооружений / H.A. Цытович, Ю.К. Зарецкий, М.В. Малышев, М.Ю. Абелев, З.Г. Тер-Мартиросян. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1967.

99. Цытович H.A. К теории равновесного состояния воды в мерзлых грунтах // Изв. АН СССР. География и геофизика. - 1995. - Т. IX, № 5-6. -С. 493-502.

100. Цытович H.A. Механика грунтов. - М., Высшая школа, 1968.

101. Цытович H.A., Сумгин М.И. Основы механики мерзлых грунтов. -М.: Изд-во АН СССР, 1937.

102. Цытович H.A., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве. - М.: Высш. шк., 1981.

103. Череменский Г.А. Геотермия. - Д.: Недра, 1972. - 271 с.

104. Швец В.Б. Фундаменты мелкого заложения на Урале. - Свердловск: Средне-Уральское изд-во, 1965. - С. 118.

105. Шишкин В.Я. Взаимодействие пирамидальных свай с сезонно-промерзающими пучинистыми грунтами: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -М., 1986.-20 с.

106. Щёколов В.К. К расчету нормативных глубин сезонного промерзания и оттаивания грунта // Прочность, устойчивость и тепловое взаимодействие с грунтом фундаментов на естественном основании: сб. науч. тр. НИИОСП.-М., 1981.-Вып. 76.-С. 96-98.

107. Югай O.K. Особенности работы фундаментов из свай большой длины при действии центральной нагрузки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -М., 1986.-20 с.

108. Kezdi A. Bearing Capacity of piles and Pile Groups // 4-th Int. Conf. on soil Mech. and Found. Eng. 1957. - Vol. 2.

109. Kondler R.L. Friction pile groups in cohesive soil. Proc. of the American Society of Civil Engeneers // Journal of G. Soil Mechanics and Foundation Division. - 1962. - Vol. 88, NSME. - Part l,p. 117-149.

110. Michalowski R.L., Ming Z. Frost heave modeling using porosity rate function // International journal for numerical and analytical methods in geome-chanics. - 2006. - P. 703-722.

111. Michalowski R.L., Ming Z. Modeling of freezing in frost-susceptible soils // Computer assisted mechanics and engineering science. - 2006. - P. 613625.

112. Selvadurai A.P.S., Hu J., Konu I. Computational modeling of frost heave induced soil-pipeline interaction: Modeling of frost heaving // Cold regions science and technology. - 1999. - P. 215-228.

113. Sowers G.F., Martin C.B., Wilson L.L. The bearing capacity of friction pile groups in homogeneous clay from model studies // Proc. of the 5-th 1С SMFE. -Paris, 1961.-Vol. 2.-P. 155-159.

114. Whitaker T. Experiment with model piles in groups // Geotechnique. -1957. - Vol. XII, no. 4. - P. 147-167.