Расчеты связанные с оценкой морозного пучения грунтов при сезонном промораживании оснований

5.1. Показатели сезонного промерзания грунтов для условий строительства.

В зимний период в поверхностном слое грунтового массива происходит изменение температуры грунтов и переход поровой воды в лед при температурах близких к 0^оС. В водонасыщенных породах в следствии увеличения объема льда при кристаллизации воды на возникает избыток воды который отжимается при свободном промерзании. В этой связи в песках при малом содержании пылевато-глинистых фракций изменение объема воды промерзанием не приводит к развитию процессов пучения – поднятию поверхности грунта вызванного увеличением их объема при промерзании.

Промерзание пылевато-глинистых грунтов приводит к образованию льда при . Вокруг глинистых частиц замерзает только часть воды – рыхлосвязанная и свободная вода. Прочносвязанная вода обусловлена молекулярно-ионными связями, характерезуется плотностью и температурой замерзания ниже -40^оС. Практически в глинистых грунтах часть воды всегда остается незамерзшей. Замерзание пленок рыхлолосвязанной водлы обеспечивает возникновение градиентов потенциалов внутренних молекулярно ионных связей.

Толщина пленок в местах замораживания восстановится в результате перемещения влаги из незамерзшего массива. Такое перемещение влаги в грунте называют миграцией. При промерзании влага мигрирует в зоны с более низкой температурой.

В результате процессов миграции промерзание глинистых грунтов идет с увеличением влагосодержания. При наличии в ниже расположенных слоях грунта свободной воды увеличение влагосодержания может быть значительным, что обеспечивает значительное изменение объема грунта при замерзании, а после таяния значительное увеличение показателя текучести грунта и снижение его прочностных и деформационных характеристик. В зависимости от активности глинистых минералов при взаимодействии с водой, от содержания глинистых частиц и гидрогеологических условий, глинистые грунты обладают разными показателями пучения. В различных регионах с различной длительностью зимнего периода, разной величиной зимних температур в атмосфере обеспечивается различная глубина промерзания глинистых грунтов различного вида и разные показатели пучения.

Процессы миграции влаги в промерзающем грунте начинаются при достижении некоторой величины влажности - которая называется критической. Величина критической влажности грунта при проектировании строительных объектов принимается по рис 5.1.

Все глинистые грунты по степени пучинистости подразделяются на 5 групп (табл. 5.1) по параметру R_f

где - влажности глинистого грунта в пределах промерзания, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести; М₀ безразмерный коэффициент, численно равный абсолютному значению средней температуры воздуха.

Влияние положения уровня грунтовых вод на степень морозной пучинистости грунтов уточняется по таблице 5.2.

Таблица 5.1

Наименование грунтов и пределы нормативных значений числа пластичности	Значение параметра Rf×102 для грунта
1. Супесь 0,02<Ip≤ 0,07	< 0,14	0,14-0,49	0,49-0,98	0,98-1,69	>1,69
2. Супесь 0,02<Ip≤ 0,07	< 0,09	0,09-0,3	0,3-0,6	0,6-1,03	>1,03
3. Суглинок 0,07<Ip≤ 0,17	< 0,1	0,1-0,35	0,35-0,71	0,71-1,22	>1,22
4. Суглинок 0,07<Ip≤ 0,13	< 0,08	0,08-0,27	0,27-0,54	0,54-0,93	>0,93
5. Суглинок 0,13<Ip≤ 0,17	< 0,07	0,07-0,23	0,23-0,46	0,46-0,79	>0,79
6. Глина Ip>0,17	< 0,12	0,12-0,43	0,43-0,86	0,86-1,47	>11,47

Примечание:

1. Значение R_f рассчитывается по формуле (п.5.1), в которой плотность сухого грунта принята равной 1,5 т/м³; при иной плотности грунта расчетное значение R_f умножается на отношение , где - плотность сухого исследуемого грунта, т/м³.

2. В грунтах, перечисленных в поз. 2, 4 и 5 (таблицы 5.2), содержание пылеватых частиц размером 0,05-0,005мм составляет более 50% по массе.

Рис. 5.1. Значение критической влажности в зависимости от числа пластичности I _p и границы текучести . Сильнопучинистыми считаются пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) со степенью влажности S_r >0,9, или уровень подземных вод которых расположен у границы сезонного промерзания грунта.

Таблица 5.2

Грунт	Значение индекса текучести(IL)	Положение уровня грунтовых вод ниже глубины промерзания грунта ( ,м)
Песок мелкий	Песок пылеватый	Супесь	Суглинок	Глина
Сильно пучинистый		-	-
Средне пучинистый		-
Слабо пучинистый
Практичеки непучинистый

Величина подъема поверхностного слоя промерзании грунта определяются

величина относительного пучения грунта.

h_f – мощность промерзающего слоя.

При сложной толще грунтовых отложений в приделах глубины промерзания ( )

Пески мелкозернистые, пылеватые и глинистые проявляют свойства пучения при промерзании и неглубоком уровне расположения грунтовых вод. При этом показатели пучинистости этих грунтов ниже чем глинистых и в строительной практике оцениваются по показателю дисперсности (D)

где k – коэффициент равный 1,85^.10^-4см²; е – коэффициент пористости грунта;

- средний диаметр частиц грунта, в см, определяемы по формуле

где - содержание отдельных фракций грунта по массе в долях единицы; -средний диаметр частиц отдельных фракций в см. Средние диаметры частиц по фракциям определяются по их минимальным размерам умножаем на 1,4. За средний диаметр последней фракции принимается максимальный диаметр деленный на 1,4.

Классификация по степени морозной пучинистости песчаных грунтов для строительной практики принимается по таблице 5.2 и 5.3.

Таблица 5.3

Наименование грунта по степени пучинистости	Показатель дисперсности грунта	Показатель относительной пучинистости
Практически не пучинистый	D<1
Слабо пучинистый	1<D<5
Средне пучинистый	5<D<50

При устройстве фундаментов различных зданий и сооружений необходимо учитывать влияние сил морозного пучения на их работу. Подошву фундаментов устраивают как правило ниже глубины промерзающей толщи, для исключения влияния нормальных напряжений морозного пучения на здание. Боковые поверхности фундаментов работают в контакте с грунтом обратной засыпки пазух и с грунтом основания. При промерзании грунтовой среды вокруг фундаментов на их боковой поверхности развиваются процессы смерзания, обеспечивающие совместную работу грунта с фундаментом, в результате чего развиваются тангенсальные направления . Величина тангенсальных напряжений для грунтов разного вида и состояния должна определятся по опытным данным, при отсутствии опытных данных может быть принята по таблице 5.4.

Сила морозного пучения определяется суммой тангенсальных напряжений по площади контакта фундамента с грунтом в зоне промерзания.

Расчетная величина удельных нормальных сил пучения ( ) для предварительных расчетов, при условии залегания уровня грунтовых вод на глубине 1,2м от нижней границы промерзающей толщи может быть принята 0,11МПа при I_L≤0; 0,165МПа при I_L≤0,25; (0,22…0,27)МПа при I_L≤0,5.

В строительной практике нормативная глубина промерзания суглинков и глин в разных районах принимается по результатам многолетних наблюдений. В данной работе приводится карта глубин промерзания суглинков и глин (рис 5.2). Глубина промерзания других грунтов определяется с поправочными коэффициентами на разность их теплопроводностей (k_f). Для супесей песков пылеватых и мелких k_f=1,22; для песков средней крупности, крупных и гравелистых k_f=1,31; для крупноблочных грунтов k_f=1,48; для бетона k_f=1,6; Для железобетона k_f=1,77.

При слоистом строении промерзающей толщи глубина промерзания определяется по средне взвешенной величине по методу последовательных приближений. Первоначально определяются глубина промерзания для суглинков по карте районирования. Для всех слоев определяются k_fi. По одному из значений k_fiпроизводят первый этап расчетов; определяется мощность промерзаемой толщи , k_f1для которой вычисляется средневзвешенное значение ; определяет соответствующая ему глубина промерзания которая сравнивается с примерной глубиной При несоблюдении условия производится 2 этап расчетов для глубины промерзания и т.д. до достижения условия сходимости. В строительной практике глубина заложения для большинства объектов принимается ниже глубины сезонного промерзания грунтов. В зоне промерзания в течении прошедшего периода грунты характеризуются изменением строительных свойств.

Таблица 5.4.

Грунты	Значение удельной касательной силы пучения ( кг/см2/МПа) при глубине сезонного промерзания грунта
до 1,5	2,5	≥3
1. Супеси, суглинки глины, при IL>0,5; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые с показателем дисперсности D>5 и степени влажности Sz>0,95
2. Супеси, суглинки глины, при IL≤0,5; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые с показателем дисперсности D>1 и степени влажности 0,8<Sz 0,95
3. Супеси, суглинки глины, при IL≤0,25; крупнообломочные с пылевато-глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые с показателем дисперсности D>1 и степени влажности 0,6<Sz 0,8

Примечания: 1. Значение для грунтов обратной засыпки принимается по верхней строке таблицы.

2. Для шероховатых поверхностей из бетона и кладки принимается коэффициент 1,1÷1,2 при неровностях до 5мм; 1,25÷1,5 при неровностях до 20мм.

Рис. 5.2.Схематическая карта глубины промерзания глинистых и суглинистых грунтов на территории СССР, см