Стабилизация оттаивающих связных оснований с помощью инъекционного закрепления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Захаров, Алексей Евгеньевич

• Захаров, Алексей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Захаров, Алексей Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ ~

Глава 1. ДЕФОРМАЦИИ ОТТАИВАНИЯ И ПУТИ ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ

1.1. Мерзлые и промерзающие грунты в основании зданий и сооружении.

1.2. Явления, сопровождающие промерзание и оттаивание грунтов в основаниях сооружении.

1.3. Методы стабилизации оттаивающих оснований."

1.4. Выводы и направление исследований. • 3-г «

Глава 2. ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ТВЕРДЕЮЩИХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

2.1. Общие соображения.

2.2. Лабораторные исследования твердения растворных образцов при Т = 0°С - з®

2.3. Лабораторные исследования распространения температурных полей в мерзлых и отшивающих грунтах.-4°

2.4. Выводы.

Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТАХ

3.1. Методы решения теплофизических задач в средах с фазовыми превращениями.

3.2. Подготовка основания для инъекции с помощью разогрева .

3.3. Методика численного моделирования разогрева основания за счет экзотермии внедренного раствора.

3.4. Выводы. -$9>

Глава 4. ОПЫТ НАТУРНОГО ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ В РЕЖИМЕ ГИДРОРАЗРЫВА

4.1. Задачи и методика экспериментальных исследований.~

4.2. Организация опытной площадки.

4.3. Основные результаты полевых экспериментов.

4.4. Выводы. "f°B

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабилизация оттаивающих связных оснований с помощью инъекционного закрепления»

Россия является самой холодной страной в мире. Более 60% ее площади занято вечномерзлыми грунтами. Освоение этих территорий было предпринято; еще в конце XIX века при строительстве Забайкальской и Амурской железных дорог. В советское время на территории, сложенной вечномерзлыми грунтами, были возведены крупные города и связанная с ними инфраструктура.

Вместе с тем, несмотря на очевидные успехи северного строительства, во второй половине XX столетия многие здания и сооружения, возведенные на вечномерзлых грунтах, стали претерпевать ощутимые деформации. По статистике 80-х годов в районах южной границы распространения мерзлых. грунтов число аварийных зданий стало в отдельных случаях достигать 70% от их общего числа [0.1], К концу XX столетия география зон чрезмерного деформирования объектов стала; захватывать практически все территории Севера и Сибири.

Отмеченные фактьь аварий и их прогресс во времени в настоящее время связывается с глобальным потеплением климата. По современным данным рост среднегодовой температуры в северных районах может достигнуть 0,1 градуса в год [0.2]. Если эти прогнозы оправдаются, то в Восточной Сибири южнее 62° северной широты криолитозона полностью исчезнет, а в Западной Сибири ее южная граница значительно сместиться на Север [0.3]:

Потеплением климата связывают с разными причинами, немалая роль в которых отводится выбросу в атмосферу углекислого газа (так называемый парниковый эффект). Для ограничения выброса в атмосферу СОг в 1987 г, в Киото рядом крупных государств было* подписано соглашение об ограничении выброса СОг в атмосферу. Однако США и Россия Киотский протокол не подписали. В конце 2003 г. правительство

России объявило о том, что в ближайшем будущем этот протокол подписан: не будет. Мотивировкой? отказа? от подписания Киотского протокола; послужило в том; числе высказанное предположение о» благоприятных последствиях глобального потепления климата на ситуацию в Российской Федерации.

Оставляя без комментариев соображения относительно перспектив сельскохозяйственного освоения территорий зоны оттаивания; отметим, что подобный сценарий приведет к катастрофическим деформациям абсолютного большинства сооружений. В связи с этим закономерно ставить вопрос о методах усиления оттаивающих оснований' наиболее значимых зданий и сооружений Севера и Сибири.

Необходимо отметить, что помимо : северных территорий, проблемы, вызванные оттаиванием грунтов, могут иметь место и в? других географических: районах: При- этом мерзлое состояние основания? носит временный характер и исчезает со временем. Так, мерзлое состояние: основания ? имеют мелкозаглубленные фундаменты (МЗФ), при этом в зимнее время грунты основания? промерзают, а в летнее оттаивают. Объекты, контактирующие с искусственно* промороженными: грунтами временных ледогрунтовых- сооружений» испытывают осадки при постепенной: деградации последних. Во многих промышленных: холодильниках основание промерзает при выходе из строя системы обогрева полов. В перечисленных случаях также приходится рассматривать проблемы стабилизации таких потенциально оттаивающих оснований.

Осадки, связанные с оттаиванием грунтов: могут исчисляться десятками? сантиметров: Для спасения/ зданий: и сооружений требуется усиление оснований и г фундаментов. Вместе: с тем, широко i применяемые мероприятия: при: стандартном усилении (уширение подошвы? и пересадка фундаментов на сваи) при существенной толщине оттаивающих фунтов неэффективны. Для этой цели весьма перспективным явится закрепление оттаивающих оснований. Подобное мероприятие с помощью метода гидроразрыва было предложено И.И.Сахаровым в 2000 г. на всероссийском семинаре-совещении по монолитному домостроению. Данное предложение означает перевод основания из мерзлого состояния в талое, или оперируя терминологией фундаментостроения на вечномерзлых грунтах, перевод основания с принципа I на принцип П.

Настоящая работа посвящена разработке методики стабилизации мерзлых, потенциально оттаивающих оснований зданий и сооружений с помощью инъекционного закрепления. Основное внимание уделялось следующему.

1. Изучению методов усиления оттаивающих грунтов.

2. Исследованию тепловыделения растворных образований и распространению тепла при их контакте с мерзлыми грунтами.

3. Рассмотрению вопросов математического моделирования^ температурных полей в грунтах при работе сплошных и точечных источников тепла, в том числе с учетом экзотермии внедренных в массивы твердеющих растворных образований.

4. Отработке технологии инъекции в мерзлые грунты.

Диссертация выполнена на кафедре геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Полевые эксперименты выполнялись на двух промышленных холодильниках Санкт-Петербурга.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н,, профессору И.И.Сахарову, заведующему кафедрой д.т.н., профессору Р.А.Мангушеву, д.т.н., профессору В.Н.Бронину, всем сотрудникам кафедры за постоянную помощь в работе.

Автор выражает также благодарность генеральному директору ООО «Строительное дело - С & Г» Н.Г.Сотникому, а также К.С.Латышеву и его сотрудникам за помощью в проведении полевых экспериментов. Автор благодарит начальника 6 отдела ГЖТИ Г.В.Левентова за помощь в проведении штамповых испытаниях грунтов.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Захаров, Алексей Евгеньевич

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Основания зданий и сооружений довольно часто могут находиться в мерзлом состоянии. Это может происходить в силу промораживания, имевшего место за один- или несколько сезонов (для сооружений, расположенных вне зоны распространения вечномерзлых грунтов -при отсутствии надлежащей теплозащиты), а также при устройстве льдогрунтовых ограждений. Кроме того, при расположении здания в зоне распространения вечномерзлых грунтов мерзлое состояние основания при; строительстве по принципу I существует до начала строительства.

2. Для мерзлых оснований весьма опасным; является их оттаивание, в результате чего грунты испытывают большие неравномерные деформации. Одним из эффективных, а в ряде случаев единственно возможным способом! стабилизации деформаций оттаивающих оснований может являться инъекционное закрепление, реализуемое с помощью метода гидроразрыва. Оттаивание высокотемпературных пластичномерзлых связных грунтов в этом случае будет происходить вследствие тепла внедренного раствора и его экзотермии, а осадки оттаивания; компенсироваться за счет объема инъекции.

3: Лабораторные исследования, проведенные на малых образцах, показали, что цементные растворы с добавкой хлористого кальция -наиболее распространенного и дешевого материала - обеспечивают наибольшее тепловыделение и, следовательно, максимальное оттаивание мерзлого грунта вблизи растворного образования. Более низкая прочность последнего по сравнению с растворами при других добавках не имеет решающего значения в случае нахождения растворной линзы в массиве основания.

4. Теплофизические расчеты оснований при фазовых переходах грунтовой влаги в спектре отрицательных температур могут выполняться с помощью программного? комплекса «Termoground», входящего в пакет НЕМ models. Изменения теплофизических параметров грунта при этом; принимаются на основе модели Н.А.Цытовича и Я.А.Кроника. При; моделировании; разогрева основания за счет экзотермии внедренного раствора в первом приближении; допустима схематизация графика тепловыделения? в виде простейших линейных функций.

5; Для осуществления инъекции в низкотемпературные потенциально оттаивающие основания последние должны быть подготовлены с помощью подогрева. Численное моделирование показывает, что для промороженных оснований холодильников наиболее эффективен подогрев оснований с помощью глубинных трубчатых нагревателей. Отвод образующейся при оттаивании основания; воды в течение всего срока деградации мерзлых грунтов будут выполнять заполненные крупнозернистой засыпкой скважины нагревателей.

6. Неодномерность промерзания . оснований, а также различное пространственное положение нагревателей и инъекционных скважин не позволяет произвести аналитическую оценку разогрева и оттаивания- грунта даже в самом грубом приближении, что заставляет использовать компьютерные расчеты при трехмерном! моделировании системы «сооружение - источники нагрева, включая экзотермию внедренного раствора — мерзлое (оттаивающее) основание».

7. Полевые эксперименты показали, что гидроразрыв связных грунтов при их температуре - 0,7°С и выше достигается при давлениях до 10 атм. Осуществить гидроразрыв грунта при более низких температурах (- 1,5. - 1,7°С °) не удается! даже при пиковых значениях давлений в 35 атм. Для инъекционного закрепления низкотемпературных потенциально оттаивающих оснований последние должны обязательно подогреваться.

8. Грунт в окрестностях внедрения цементного раствора после оттаивания снижает деформативность. В ходе эксперимента для грунта при расстоянии от цементной линзы на 30.40 см отмечается повышение модуля деформации примерно в два раза. Предельное давление на штамп для незакрепленного грунта в опытах составило 1,875 кг/см , для заинъектированного грунта оно превысило 2,5 кг/см и в ходе испытаний достигнуто не было. Таким образом, инъекционное закрепление мерзлого грунта ведет и к увеличению его прочности в окрестностях инъекции после оттаивания.

9. При практической инъекции мерзлых оснований для различных фаз процесса целесообразно использование разных добавок к цементным растворам. Для обеспечения максимального разогрева и оттаивания мерзлых грунтов следует использовать растворы с добавкой хлористого кальция. В то же время для приготовления обойменного раствора необходимо применение добавок, выделяющих малое количество тепла при твердении. Такой добавкой, обеспечивающей значительную прочность раствора, что имеет большое значение при инъекции через забой скважины, является распространенная в петербургской практике добавка ЛИИЖТа. V J

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Захаров, Алексей Евгеньевич, 2004 год

1. К вопросу о мерзлотной службе/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1988. № 5.

2. Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.П., Емельянова Л.В. Надежность и долговечность оснований инженерных сооружений на вечномерзлых грунтах в условиях глобального потепления климата// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1993. № 3.

3. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Стройиздат. Л.О. 1988.

4. Мелкозаглубленные фундаменты сельских зданий на пучинистых грунтах. ЦНИИЭПсельстрой. М. Вып. 2.1985.

5. Рекомендации по проектированию и расчету мелкозаглубленных фундаментов сельских зданий на пучинистых грунтах. НИИОСП. 1985.

6. Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах. (ВСН 29 — 85). Минсельстрой СССР. 1985.

7. Анненков В.П., Трофимов А.С. Оттаивание грунта под зданиями холодильников точечными источниками обогрева//Холодильная техника. 1982. №5.

8. Файнштейн В.А., Лифанов Б.В. Меры по предотвращению деформаций конструкций зданий холодильника//Холодильная техника. 1981. №9.

9. Дементьев А.И. Деформации зданий, вызванные мерзлотными процессами и их ликвидация. М. Стройиздат. 1967.

10. Сахаров И.И. Физикомеханика криопроцессов в грунтах и ее приложения при оценке деформаций зданий и сооружений. Дисс. д.т.н. Пермь. 1995.

11. Некрасов И.А. Вечна ли вечная мерзлота? М; Недра. 1991.

12. Musorin A.V., Podoliak S.P. Deformation of Dwelling Building was Raising on Permafrost Soils by Principe I on Example Chita City. Fifth-International Symposium on Permafrost Engineering. 2 4 September 2002. Yakoutsk.

13. Torgashov V.V., Alekseeva I.P. To the Problem of Stability of Buildings in Conditions of Permafrost Degdradation and Seismic Influance. Fifth International Symposium on Permafrost Engineering. 2 4 September 2002. Yakoutsk.

14. Пилайнен Дж. А. Строительство фундаментов зданий на постоянномерзлых грунтах долины реки Маккензи в северо-западных территориях Канады//Мерзлые породы Аляски и Канады. ММ958.

15. Цытович Н. А., Сумгин М.И. Основания механики мерзлых грунтов. Из-дво АН СССР, М: Л. 1937.

16. Жуков В.Ф. Предпостроечное протаивание многолетнемерзлых горных пород при возведении на них сооружений. Mi АН СССР, 1958.

17. Бойко И.В. Физико-химическое оттаивание всчномерзлых грунтов// Физико-химические процессы в промерзающих грунтах и способы управления ими. НИИ оснований и подземных сооружений. М. 1974.

18. Основания и фундаменты. Часть 2. Основы геотехники. Под ред. Б.И.Далматова. М. СПб. 2002.

19. Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаивающих грунтов. НИИОСП. М. 1977.

20. Сахаров И.И., Аббуд М; Экспериментальные исследования закрепления крупноразмерных образцов грунтов высоконапорной инъекцией/Докл. 57 научн. конф. СПбГАСУ. Ч. 1. 2000.

21. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М. 1973.

22. Экспериментальные исследования инъекционного льдовыделения в дисперсных порадах// Э.Д.Ершов и др. //Геокриологические исследования. М. МГУ. 1986.1. V-/5

23. Шугалей Р.Т. Специальные вопросы закрепления грунтов в гидроэнергетическом строительств на Севере//ИМГТ 88. Мат-лы конф. и совещ. по гидротехнике. Л. 1989.

24. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. JI. — М: 1966.

25. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. М. 1988. •

26. Tomlinson M.J. Foundation desighn & construction. NY. 1995.

27. Геотехнические вопросы освоения Севера. М. Недра. 1983.

28. Оловин Б.А. Фильтрационная проницаемость вечномерзлых грунтов. Новосибирск. Наука. 1993.

29. Бакулин Ф.Г. Льдистость . и осадки при оттаивании многолетнемерзлых четвертичных отложений Воркутинского района. М. АН СССР. 1958.

30. Довнарович С.В. Упрочнение основания жесткими элементами, разрушающимися под нагрузками на основание. Ускорение научно-технического прогресса в фундаментостроении. Т. 1. НИИОСП. М. 1987.

31. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. Л. М. 1966.

32. Мурадов Э.Г. Материаловедение для арматурщиков, бетонщиков, плотников. М. Высшая школа. 1990.

33. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. М. Стройиздат. 1975.

34. Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. Генеральные доклады, дискуссия. Ml Стройиздат. 1978.

35. Гныря А.И. Технология бетонных работ в зимних условиях. Томск. 1984.

36. Елисеев О.Н; Теория и практика бетонирования в экстремальных природно-климатических условиях. ПВВИСУ. 1996.

37. Аббуд М. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления грунтов. Автореферат диссертации канд. техн. наук. СПбГАСУ. 2000.

38. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона. М.,Госстройиздат. 1961.2.9: Мягков А.Т. Определение теплоты гидратации портландцемента в бетонах с ускорителем твердения//Бетон и железобетон. 1963, № 12.

39. Герасимов И.Д., Котловой А.Т., Неймарк Л.И. Конструкции сооружений в районах БАМа. Л. Стройиздат. 1983.

40. Сахаров И.И., Аббуд М. Экспериментальные исследования закрепления крупноразмерных образцов грунтов высоконапорной инъекцией/Докл. 57 научн. конф. СПбГАСУ. Ч. 1.2000.1. Глава 3.

41. Фадеев А.Б., Сахаров И.И. О восстановлении аварийного тоннеля метро с помощью криогенной технологии/Проблемы расчета и усиления зданийсооружений, находящихся в зоне больших неравномерных осадок оснований. Рос. инж. академия. СПб. 1996.

42. Сахаров И.И., Парамонов В.Н., Кудрявцев С.А., Шашкин К.Г. Расчет9 процесса оттаивания в промерзающих грунтах. Фундаментостроение в сложных инженерно-геологических условиях. Труды международного геотехнического симпозиума. СПб. 2003.

43. Цытович- Н.А., Зарецкий Ю.К., Григорьева В.Г., Тер-Мартиросян З.Г. Консолидация оттаивающих грунтов. Труды VI Международного конгресса по механике грунтов. Стройиздат. 1965.

44. Винников С.Д., Проскуряков Б.В. Гидрофизика. Л. Гидрометеоиздат. 1988.

45. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра. 1990.

46. Ши Д: Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир. 1988.

47. Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза изменений; температурного режима вечномерзлых грунтов, численными методами. РСН 67-87. Госкомитет РСФСР по делам строительства. 1987.

48. Павлов А.В-, Оловин Б.А. Искусственное оттаивание мерзлых породIтеплом солнечной радиации при разработке россыпей. Наука. Сиб. отд. АН 1 СССР. 1974.

49. ЗЛО. Comini G., Del Guidice S., Lewis R.W., Zienkiewich O.C. Finit elementsolution of non-linear heat conduction problems with special reference to phase ohftngo. "Inti Ji Num. Meth. Bngng". 8.1974.

50. Guidice Del S., Comini G., Lewis R.W.Finit element simulation of freezing process in soils. "Int. Ji Num. Meth. Geomech. 2. 1978.

51. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра. 1987.3113. Фадеев А.Б;, Прегер АЛ. Решение геотехнических задач методом конечных элементов. В 2 ч. Томск. 19931

52. Парамонов B.H., Сахаров И.И., Кудрявцев С.А. Расчет промерзания, пучения и оттаивания оснований малозаглубленных фундаментов. Доклады научной конференции.- БИТУ. СПб, 2002. С.87-91.

53. Цытович Н.А., Кроник Я.А., Лосева C.F. Теплофизические свойства грунтовых смесей; используемых при строительстве плотин в условиях Крайнего Севера.//Энер. стр-во. 1979. № 4:

54. Кроник Я.А. Термомеханические модели мерзлых грунтов! и криогенных процессов. — В кн; «Реология и инженерное мерзлотоведение». М.: Наука. 1982.

55. СПиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М. 1988.3;24. Конаш В.Е. Свайные фундаменты . в условиях островного распространения вечномерзлых грунтов. Л. Стройиздат. 1977.

56. Шестернев Д.М. проблемы строитеЗхьства и эксплуатация инженерных сооружений в пределах южной периферии криолитозоны в условиях глобального изменения климата./Реконструкция исторических городов; и: геотехническое строительство. Т.2. СПб. 2003.

57. Анненков В.Н., Трофимов А.С. Оттаивание грунта под зданиямихолодильников точечными- источниками обогрева//Холодильная техника. 1982. №5.

58. Файнштейн В.А., Лифанов Б.В. Меры по предотвращению деформаций конструкций зданий холодильника//Холодильная техника. 1981. № 9.

59. Черкашин В.А. Разработка мерзлых грунтов. JI. Стройиздат. 1977. •3.29. Железняк И.И. Методика обследования мерзлых оснований эксплуатируемых сооружений и восстановление их надежности. М. Ин-т экономики жилкомхозяйства. 1990.

60. Жуков В.Ф. Предпостроечное протаивание многолетнемерзлых горных пород при возведении на них сооружений. М. АН СССР. 1958.

61. Симагин В.Г., Блатков В.П. Защита одноэтажных холодильников от промораживания оснований. Петрозаводск. 1984.

62. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. JI. Стройиздат. 1977.

63. Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаивающих грунтов. М.: НИИОСП. 1977.

64. Гвоздев А.А. Температурно-усадочные деформации в массивных бетонных блоках. Изв. АН СССР. 1953. № 4:

65. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. JI. М. 1966.

66. Кульчицкий В.А., Макагонов В.А., Васильев М.Б., Чеков А.Н., Романков Н.И. Аэродромные покрытия. .Современный взгляд. М.: Ф/м литра. 2002.

67. Лабораторные методы исследования мерзлых пород. Под ред. Э.Д.Ершова. М.: МГУ. 1985.1. Глава 4.4Л. Экспериментальные исследования инъекционного льдовыделения в дисперсных порадах// Э.Д.Ершов и др. //Геокриологические исследования. М. МГУ. 1986.

68. Быков Н.И., Каптерев П.Н. Вечная мерзлота и строительство на ней.М.: Трансжелдориздат. 1940.

69. Сахаров И.И., Аббуд M. Экспериментальные исследования закреплениякрупноразмерных образцов грунта высоконапорной инъекцией/Докл. 57научн. конф. СПбГАСУ. Ч. 1.2000.4.4; Черкашин В.А. Разработка мерзлых грунтов. JI. Стройиздат. 1977.

70. СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

71. Сахаров И.И., Захаров А.Е. Перспективы методов усиления оснований архитектурных памятников севера и Сибири//Реконструкция городов и геотехническое строительство. Интернет-журнал № 4,2001.

72. Захаров А.Е. Исследование температурных полей в мерзлых грунтах, контактирующих с твердеющими растворными прослойками./Сб.тр. 59 научной конф. СПбГАСУ, 2001.

73. Ю.Парамонов В.Н., Сахаров И.И.', Кудрявцев С.А. Расчет промерзания, пучения и оттаивания; оснований; малозаглубленных; фундаментов. Доклады научной конференции.- ВИТУ. СПб, 2002. С.87-91.

74. Г.Сахаров И.И., Шашкин К.Г. Парамонов BiH., Кудрявцев С.А. Проблемы возведения наклонных; ходов; метрополитена в плотно застроенныхгородских райоиахПеч.Труды международной конференции. Тула, ТПУ,- 2002: сЛ .