Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР

Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов

Москва Стройиздат 1986

Содержание

Рекомендованы к изданию решением секции по инженерно-геокриологическим исследованиям Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Содержат материалы, развивающие и детализирующие положения, вошедшие в нормативные и инструктивно-методические документы о морозном пучении грунтов и его воздействия на сооружения; даны методы расчета устойчивости и эксплуатационной надежности работы сооружений на морозоопасных грунтах оснований, а также рекомендован комплекс мероприятий, направленных на предупреждение деформаций пучения грунтов и выпучивания фундаментов.

Для инженерно-технических работников, занимающихся инженерно-геологическими изысканиями, проектированием и строительством в районах распространения сезоннопромерзающих и вечномерзлых грунтов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Промерзание поверхностных слоев земной коры обусловливает объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. Процесс такого деформирования пород в строительной практике принято называть морозным пучением, а сами грунты, подвергающиеся пучению, пучинистыми или морозоопасными.

Необходимость учета и предупреждения воздействий промерзающих морозоопасных грунтов на фундаменты и конструкции зданий и сооружений (что сопряжено с оценкой деформаций и сил морозного пучения) является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов.

Напряженно-деформированное состояние грунта при морозном пучении обусловливает недопустимые перемещения и серьезные повреждения промышленно-гражданских зданий, гидротехнических, мелиоративных сооружений, разрушение покрытий автомобильных дорог и аэродромов, искривление рельсо-шпальной решетки железнодорожной колеи, смещение опор мостов, Линий электропередач, трубопроводов и других инженерных сооружений. Особенно широко деформации сооружений имеют место в районах глубокого сезонного промерзания грунтов, а также на территории с вечномерзлыми породами, где в условиях преимущественного распространения сильнопучинистых пылеватых грунтов воздействующие на сооружения силы пучения достигают значительных величин.

В дорожной практике морозное пучение грунтов приводит к образованию так называемых пучин, т.е. локальных взбугриваний земляного полотна, под которыми нередко понимают не только деформации грунтов при зимнем промерзании, но и потерю ими несущей способности весной вследствие осадки и переувлажнения оттаивающего грунта - основания.

Недоучет морозного пучения грунтов в строительстве, а также несвоевременное назначение противопучинных мероприятий наносят огромный ущерб народному хозяйству: снижают сроки и ухудшают условия эксплуатации сооружений, вызывают непроизводительные затраты труда, строительных материалов и финансовых средств.

Несмотря на широкое территориальное распространение явления пучения в нашей стране, действующие в настоящее время строительные нормы и правила и другие нормативно-методические документы не дают исчерпывающих и достаточно обоснованных расчетных характеристик и оперативных методов инженерного прогноза морозного пучения грунтов.

Призванные восполнить этот пробел Рекомендации составлены в развитие и дополнение существующих нормативных документов и предназначены для инженерно-технических работников проектно-изыскательских и строительных организаций.

В основу Рекомендаций положены обобщенные результаты многолетних экспериментальных и теоретических исследований морозного пучения грунтов с использованием материалов, освещающих опыт строительства на пучинистых грунтах. Прогноз характеристик морозного пучения дан с учетом современных представлений об этом процессе на основе анализа и проверки существующих схем и методов его расчета.

Рекомендации составлены в научно-производственной лаборатории изучения свойств мерзлых грунтов ПНИИИС Госстроя СССР; автор - д-р техн. наук В.О. Орлов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации содержат сведения по выявлению, оценке и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов оснований зданий и сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания и распространения вечномерзлых грунтов.

1.2. Рекомендации по учету и оценке деформаций морозоопасных грунтов используются при назначении противопучинных мероприятий и в расчетах оснований сооружений, проектируемых по второму предельному состоянию (по деформациям), согласно которому следует учитывать не только осадки грунтов основания, но и их деформации от пучения. Для зданий и сооружений, проектируемых на морозоопасных основаниях по первому предельному состоянию (по устойчивости), необходима проверка устойчивости и прочности фундаментов на действие сил морозного пучения.

1.3. Рекомендации по прогнозу характеристик морозного пучения грунтов расчетным методом предусматривают обязательное инженерно-геологическое обследование территории застройки с выявлением исходных данных, необходимых для расчета.

1.4. Полевые исследования пучинистых свойств промерзающих грунтов проводятся в соответствии с рекомендациями [1] - При этом деформации морозного пучения грунтов определяются посредством инструментальных наблюдений за положением поверхностных и глубинных реперов (марок), а также пучиномеров согласно инструкциям, разрабатываемым ведомственными организациями, или в соответствии с техническим заданием и детальностью обследования территории застройки.

1.5. Лабораторные исследования пучинистых свойств грунтов проводятся в соответствии с рекомендациями [1], а также с использованием методики, приведенной в [2].

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1. 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 разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д.

Внешним проявлением морозного пучения, характеризующим величину его линейной деформации, служат местные, как правило, неравномерные поднятия поверхности слоя промерзающего грунта, сменяющиеся осадкой последнего при оттаивании. В северных районах морфологическим признаком проявления пучения нередко служат такие формы рельефа, как площадное всхолмление, бугры и гряды пучения.

2.2. К основным характеристикам деформируемости промерзающего грунта относятся величина морозного пучения и ее производная - интенсивность.

Под величиной пучения h_fi некоторой точки поверхности грунта, промерзшего на глубину d_i, принято понимать высоту перемещения этой точки относительно ее исходного положения в предзимний период. Величина пучения dh_f элементарного слоя d(d_f) характеризует интенсивность пучения f (доли единицы), под которой понимается способность грунта в условиях льдообразования деформироваться в отдельной "точке" массива.

Значение f представляет собой дифференцированную по глубине пучащегося слоя алгебраическую сумму деформаций грунта за счет перемещения его вверх по нормали к фронту промерзания (деформация пучения h_f0) и одновременной усадки его вниз (-s_f) вследствие консолидации подстилающего немерзлого слоя грунта

                                                                                (1)

Из уравнения (1) следует, что

h_f = h_f0 - s_f                                                                                                 (2)

График изменения значения f по глубине слоя промерзающего грунта называют эпюрой интенсивности пучения (рис. 1). Площадь этой эпюры численно равно величине h_f.

Рис. 1. Эпюра интенсивности пучения

В практических целях нередко используют значение средней интенсивности пучения

                                                                                                   (3)

которая графически представляет прямоугольную эпюру 0abc (см. рис. 9).

Примечания: 1. Значение f является аналогом часто встречающихся в литературе терминов "относительное пучение" или "коэффициент пучения"'. 2. Не следует отождествлять понятия "интенсивность" и "скорость" пучения грунта; под скоростью пучения понимается приращение объема пучащегося грунта в единицу времени t.

2.3. Под модулем морозного пучения m_f понимается величина пучения, отнесенная к слою морозоопасного талого грунта мощностью 1 м. Значение m_f определяется на основании экспериментальных данных о пучении по формуле

m_f = 100h_fi/d_0i,                                                                                          (4)

где d_0i - мощность слоя немерзлого грунта, м, вызывающего деформацию пучения величиной h_fi, м.

Численно модуль пучения равен:

                                                                                            (5)

2.4. Основным условием пучения любого грунта служит превышение общего объема замерзшей и незамерзшей (при данной отрицательной температуре) воды, аккумулированной в массиве промерзшего грунта, над объемом свободных от воды пор немерзлого грунта того же массива. Количество замерзшей воды, вызывающей пучение грунта, определяет так называемое избыточное льдовыделение (i_ef). Пучения грунта не будет, если объем свободных отводы пор равен или больше приращения объема замерзшей воды, характеризующей при данных условиях лед-цемент.

2.5. Если в несвязных крупнозернистых грунтах (пески, крупнообломочные породы с песчаным заполнителем) механизм морозного пучения может быть представлен моделью увеличения объема гетерогенной системы за счет расширения (при фазовом переходе) одного из компонентов - воды, то в связных (глинистых) грунтах механизм пучинообразования обусловлен сложным комплексом процессов тепловлагообмена, основная роль в которых принадлежит их кинетике и характеру перераспределения связанной (пленочной) влаги в промерзающем грунте. Наличие в глинистых и пылевато-песчаных грунтах связанной воды обусловливает процесс миграции жидкой фазы, выражающийся в перераспределении влаги начального содержания и накоплении ее в промерзающем грунте вследствие поступления из смежных немерзлых зон.

Криогенная миграция воды оказывает доминирующее влияние как на льдовыделение, так и на пучение грунтов. Если в условиях стабильного состояния влаги начального содержания за счет ее кристаллизации модуль пучения может составить лишь до 3 - 3,5 см/м, то при миграционном влагонакоплении он способен достигать 20 см/м и более.

2.6. Процесс морозного пучения, обусловленный льдовыделением и анизотропией роста кристаллов льда, протекает не только у границы промерзания, но и в некотором приграничном слое мерзлого грунта, называемом зоной промерзания или зоной одновременного пучения. Мерзлый грунт, залетающий выше зоны промерзания, при дальнейшем охлаждении практически не подвергается пучению, однако перемешается в результате пучения грунта в нижележащих слоях.

2.7. Все грунты в зависимости от их гранулометрического состава подразделяются на морозоопасные (пучинистые) и неморозоопасные (непучинистыс) системы. В свою очередь все морозоопасные грунты в зависимости от содержания тонких фракций, условия увлажнения и промерзания могут быть подразделены по степени пучинистости на следующие труппы, в которых основным показателем градации принят модуль пучения:

Примечание. Термин "потенциально пучинистый" характеризует стабильное состояние промерзающего грунта лишь при его определенных физических свойствах (например, влажности), изменение которых способно повлечь переход грунта в ту или иную группу морозоопасности.

2.8. Условия устойчивости сооружений, возводимых на промерзающих морозоопасных грунтах, оцениваются не только абсолютной величиной пучения, но и его неравномерностью. Основными причинами неравномерного пучения грунтов являются:

неоднородность состава и сложения грунтов;

неравномерное увлажнение грунтов или их различная обводненность поверхностными или подземными водами;

неравномерность промерзания грунтов, вызываемая изменением их теплофизических свойств, различным распределением теплоизоляционных покрытий (снег, растительный покров и др.), неравномерным облучением, обдуваемостью ветром и пр.

Критерий неравномерного пучения характеризуется относительной неравномерностью пучения ∆h_f/L, под которой понимается отношение разности величин (деформаций) пучения ∆h_f в двух близлежащих точках к расстоянию (длине заложения) между ними или к базе L. База L назначается в соответствии с конструктивными особенностями каждого типа сооружения. Величина ∆h_f/L рассчитывается в соответствии с рекомендациями разд. 5.

2.9. В строительной практике возможная неравномерность пучения может быть как допустимой, так и недопустимой. Допустимая по условиям эксплуатационной надежности работы сооружения разность в перемещениях промерзающего грунта характеризует степень допустимой неравномерности пучения.

Оценка степени неравномерности пучения грунтов особенно важна при расчетах эксплуатационной работы линейных сооружений (железных и автомобильных дорог, трубопроводов и др.) и малоэтажных зданий, которые отличаются незначительной жесткостью конструкций и малыми нагрузками.

Степень допустимой неравномерности определяется в первую очередь типом сооружения. Для каждого сооружения и его конструктивного решения может быть получена величина предельно допустимой деформации неравномерного пучения  (табл. 12). В этом случае одним из требований к расчету сооружений, возводимых на морозоопасных основаниях по деформациям, является соблюдение условия

                                                                                          (6)

2.10. Морозное пучение резко изменяет физико-механические свойства грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны интенсивности пучения. При оттаивании мерзлых грунтов, подвергшихся пучению, повышается водопроницаемость и сжимаемость оттаявшего грунта, значительно понижается его несущая способность, что приводит к осадке сооружений, а на железных и автомобильных дорогах - к весенним просадкам земляного полотна, сопровождаемым разжижением и выплесками грунта, образованием бугров выпирания, смещением откосов, кюветов и т.п.

2.11. Пучение грунтов обусловливает развитие давления в зоне промерзания. Это давление характеризует собственно силы пучения, или гидродинамические силы пучения, под которыми понимается сопротивление растущим кристаллам льда при замерзании и объемном расширении воды.

2.12. Различают следующие виды восприятия силового эффекта морозного пучения:

касательные силы пучения; нормальные силы пучения: у боковой поверхности фундаментов и конструкций сооружений, у подошвы фундаментов сооружений, балластных и подстилающих слоев железных и автомобильных дорог.

Для фундаментостроения наиболее важна оценка касательных и нормальных к подошве фундамента сил морозного пучения.

Замерзая около фундамента, грунт примерзает к его боковой поверхности. Развивающиеся в зоне промерзания собственно силы пучения стремятся переместить вместе с вышележащим слоем мерзлого грунта фундамент вверх, чему противодействуют его защемление в нижележащих слоях грунта и нагрузка от сооружения. При этом возникает нарушение статических связей смерзания (прочности смерзания) грунта с фундаментом, в результате чего возникает смещение - сдвиг мерзлого пласта относительно фундамента. Сопротивление смещению слоя мерзлого грунта относительно боковой поверхности фундамента обусловливает касательные силы пучения. Величина этих сил возрастает по мере увеличения площади контактных связей мерзлого грунта с фундаментом.

В ходе роста слоя промерзшего грунта может наступить такой момент, когда динамические связи мерзлого грунта с фундаментом превзойдут сопротивление заанкериванию фундамента и приложенной к нему нагрузки от сооружения. В этом случае начнется совместное перемещение фундамента с мерзлым грунтом или, как принято говорить, "выпучивание" фундамента. Среднеинтегральное тангенциальное усилие, при котором наступает предельное равновесие сил, действующих на фундамент перед его выпучиванием, характеризует нормативную величину касательных сил пучения.

Собственно силы пучения, действующие перпендикулярно поверхности фундамента или заложенного в грунт сооружения (трубопровод, стенки канала и пр.) определяют нормальные силы пучения.

Неравномерное промерзание и пучение грунта может вызвать одностороннее боковое давление на фундамент, которое в отдельных случаях способно подвергнуть сооружение горизонтальным смещениям. Промерзание пучинистых грунтов под фундаментом (сооружением) обусловливает развитие нормальных сил пучения у его подошвы. В основном эти силы определяются среднеинтегральным значением собственно сил пучения на площади промерзающего массива, значительно превышающей площадь подошвы фундамента.

Если величина касательных сил пучения преимущественно не превышает 0,1 - 0,2 МПа (1 - 2 кгс/см²), то величина сил пучения, нормальных к подошве фундамента, может достигать 0,5 - 1 МПа (5 - 10 кгс/см², а в отельных случаях и до нескольких десятков кгс/см²).

3. РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА МОРОЗНОЕ ПУЧЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

3.1. Морозное пучение грунтов зависит от комплекса многочисленных факторов, происхождение и формирование которых связано с климатическими, гидрогеологическими, литологическими, а в районах распространения вечномерзлых грунтов - и геокриологическими условиями места обследования.

К основным природным факторам, количественно характеризующим интенсивность пучения грунтов, относятся: гранулометрический, минералогический и химический состав грунта, его водно-физические свойства и глубина залегания грунтовых вод в период промерзания, плотность грунта и степень его охлаждения, зависящая от температуры воздуха и теплоизоляции на поверхности грунта в зимний период.

Помимо природных факторов интенсивность пучения зависит также от геотехнических факторов, связанных с обустройством осваиваемой территории и возводимых на ней сооружений, нагрузкой на грунты от сооружений и др.

3.2. Морозоопасность грунтов и прогноз их характеристик пучения в целях назначения инженерных мероприятий по предупреждению деформаций сооружений могут быть с достаточной надежностью определены лишь при совместном комплексном учете всех воздействующих на пучение факторов.

Влияние гранулометрического, минералогического и химического составов грунта на пучение

3.3. Одним из физических показателей пучения является дисперсность грунтов, т.е. степень их раздробленности, характеризуемая формой и размером твердых минеральных и органоминеральных частиц, образующих поверхность раздела между физическими фазами грунтовой системы и обеспечивающих взаимосвязь с водой. Обладая запасом свободной поверхностной энергии, создающим энергетический потенциал грунтовой системы, минеральные частицы с большой удельной поверхностью взаимодействуют с жидкой фазой и растворенными в ней веществами.

Взаимодействие минеральных частиц с жидкой фазой обусловливает образование различных категорий связанной воды, которая существенно влияет не только на влагосодержание грунта, но и на миграционное накопление в нем влаги при промерзании, участвуя в формировании пучинистых свойств тонкодисперсных грунтов. При этом первостепенную роль играет так называемая пленочная (рыхлосвязанная) вода, которая своим перераспределением в зоне примерзания оказывает влияние на пучение грунта.

Наибольшее количество пленочной воды содержится в тонкодисперсных глинистых грунтах, имеющих большую удельную поверхность минеральных частиц, наименьшее - в крупнозернистых (песчаных и крупнообломочных) грунтах. Из этого следует, что наиболее морозоопасными являются глинистые грунты.

3.4. Наибольший размер минеральных частиц, при котором ощутимо воздействие силового поля скелета грунта на пленочный механизм миграции воды, а следовательно, и на интенсивность его пучения, составляет около 0,1 - 0,07 мм. Все крупнозернистые грунты, состоящие из фракций крупнее 0,1 - 0,07 мм, при наличии высоких фильтрационных свойств, как правило, не способны удерживать воду и подвергаться пучению за счет миграционного влагонакопления.

В условиях беспрепятственного оттока воды из замерзающего массива крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности являются не морозоопасными. В условиях замкнутого объема, т.е. без свободного оттока воды из замерзающего массива, эти грунты не выходят за пределы слабопучинистых (m_f ≤ 3,5 см/м).

3.5. Максимальная интенсивность пучения по гранулометрическому составу свойственна грунтам, дисперсность которых соответствует размеру минеральных частиц от 0,05 до 0,005 мм. Преобладание в составе грунта частиц указанного размера, номенклатурно представляющих фракции пыли, обеспечивает наиболее благоприятные условия криогенной миграции влага.

Увеличение степени дисперсности частиц в пределах глинистых фракций (от 0,005 - 0,002 мм и менее) приводит к некоторому уменьшению удельного потока миграционной влаги в промерзающий грунт, что наиболее заметно проявляется с увеличением его плотности. В глинах наряду с ростом свободной энергии частиц возрастает и количество прочно связанной воды, не участвующей в процессах миграционного влагонакопления и пучения грунтов.

3.6. С учетом осредненной степени дисперсности глинистых грунтов интенсивность пучения их номенклатурных видов при прочих равных гидротермических условиях возрастает в следующей очередности: глины (с монтмориллонитовой основой) < супеси < суглинки < пылеватые грунты (супеси, суглинки, глины с каолинитовой основой).

3.7. Влияние минералогического состава тонких фракций на пучение в крупнообломочных и песчаных грунтах практически отсутствует. Оно становится заметным в тонкодисперсных грунтах, а наиболее резко проявляется в глинах, у которых химическая активность взаимодействия частиц с водой зависит от природы глинистых минералов (коллоидной фракции) и их обменной способное, связанной со строением и подвижностью кристаллической решетки.

Чем выше обменная способность и степень набухания группы минералов, содержащихся в основе глинистого грунта, тем менее морозоопасен этот грунт.

Минералы группы каолинита практически не содержат обменных ионов и обладают достаточно жесткой кристаллической структурой, характерной для ненабухающих грунтов. Эти обстоятельства обусловливают высокую влагопроницаемость и повышенную морозоопасность грунтов с каолинитовой основой. В иллите основным обменным катионом является калий, высокая степень гидратации которого понижает пучинистые свойства грунтов с иллитовой основой. Весьма высокий ионный обмен свойствен минералам группы монтмориллонита, обладающим высокой степенью набухаемости и малой водопроницаемостью. Морозоопасность глинистых грунтов с монтмориллонитовой основой в 2 - 3 раза меньше, чем грунтов с каолинитовой основой (при одинаковом процентном соотношении фракций грунта).

3.8. Весьма сильно способствуют набуханию хорошо гидратируемые одновалентные ионы Li⁺, Na⁺, K⁺. чем объясняется пониженная морозоопасность грунтов, насыщенных ионами этих металлов. C увеличением валентности обменных катионов степень набухания понижается, а морозоопасность грунта возрастает. Пучение грунтов за счет миграционного влагонакопления понижается в случае насыщения катионами, составляющими следующий ряд:

Al³⁺ > Fe³⁺ > Ca²⁺ > Na⁺ > K⁺.

3.9. Введение в обменный комплекс многовалентных катионов повышает интенсивность пучения слабопучинистых (монтмориллонитовых) грунтов. У морозоопасных (каолинитовых) грунтов способность к пучению утрачивается в случае их насыщения одновалентными катионами.

Влияние влажности и источников увлажнения грунта на пучение

3.10. Морозное деформирование грунтов обусловлено их осенним (предзимним) увлажнением, на которое оказывает влияние круглогодичный цикл изменения влажностного режима, зависящий от климатических и гидрогеологических условий места обследования.

3.11. Основными источниками увлажнения сезоннопромерзающих грунтов в природных условиях служат жидкие атмосферные осадки и подземные (грунтовые и почвенные воды), залегающие на достаточно близком расстоянии от поверхности грунта. О количестве атмосферных осадков, выпадающих в осенний период, судят по долгосрочным прогнозам гидрометеослужбы.

При глубоком залегании уровня подземных вод (УПВ) или их отсутствии источников увлажнения грунтов могут быть атмосферные осадки, выпадающие в виде дождей в летне-осенний период.

В районах, где в осенний период выпадает большое количество осадков (как, например, в средней полосе и северной части СССР), грунты перед промерзанием, как правило, водонасыщены, что обусловливает их высокую интенсивность пучения. В районах с умеренным или незначительным количеством осенних осадков, где ощутим большой дефицит влажности воздуха (например, Казахстан, юго-восточная часть Сибири), пучение грунтов, в основном, обусловливается высоким залеганием грунтовых вод.

В засушливых районах, где граница промерзания не достигает каймы капиллярного поднятая, криогенная миграция может осуществляться за счет парообразной влаги, влияние которой на пучение грунтов будет тем ощутимее, чем меньше паропроницаемость слоя промерзшего грунта. Однако и в условиях слабой паропроницаемости грунтов их степень морозоопасности, как правило, не выходит за пределы слабопучинистых грунтов.

3.12. Наиболее распространенным путем увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя грунтовыми водами является капиллярное передвижение воды в пределах капиллярного поднятия от зеркала грунтовых вод. Изменение положения УПВ влечет соответствующее перемещение каймы капиллярного поднятия, зона которой в зависимости от состава и сложения грунтов может достигать 3 - 3,5 м.

3.13. Интенсивность пучения грунтов повышается при наличии подземных вод в пределах слоя сезонного промерзания или близком расположении их к границе промерзания. При увеличивающейся с глубиной предзимней влажности интенсивность пучения однородных по составу грунтов приближается к равномерной или несколько возрастает по мере продвижения границы промерзания. В условиях равномерного увлажнения однородного грунта при глубоком залегании грунтовых вод или их отсутствии интенсивность пучения с глубиной понижается.

3.14. Условия, когда подземные воды не оказывают влияния на увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя, зависят от глубины залегания УПВ перед началом промерзания, состава, сложения и глубины промерзания грунтов.

Ориентировочное минимальное расстояние между полной глубиной сезонного промерзания и предзимним положением УПВ, при котором эти воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, для основных видов грунтов приведено в табл. 1.

Таблица 1.

Влияние УПВ на увлажнение промерзающею грунта

3.15. Годовой цикл колебаний УПВ в районах с сезонным промерзанием грунтов обычно имеет следующий характер.

Весной УПВ поднимается с началом снеготаяния и достигает своего наивысшего положения в течение непродолжительного времени после протаивания грунтов сезоннопромерзшего слоя. В последующий весенне-летний сезон УПВ постепенно снижается, сопровождаясь кратковременным поднятием или замедлением спада грунтовых вод в периоды выпадения атмосферных осадков. С наступлением осеннего дождливого периода УПВ поднимается и в зависимости от количества выпавших осадков может достигать высоких отметок. В период устойчивого промерзания грунтов УПВ неизменно понижается вплоть до достижения своего наинизшего положения в конце зимы.

Режим почвенных вод (верховодка) в течение года весьма неустойчив. Имея сезонный характер, эти воды зависят прежде всего от гидрометеорологических условий. В осенний период дожди пополняют запасы верховодки, а в отдельных случаях и вызывают ее появление. Наиболее часто верховодка образуется в морозоопасных грунтах - суглинках, тяжелых супесях и лессовидных породах, в которых она может существовать продолжительное время. Преимущественным местом образования верховодки являются равнинные участки с плохо обеспеченным поверхностным стоком, блюдца, западины, бессточные котловины.

3.16. Промышленное освоение площадей и застройка территории приводят в процессе эксплуатации зданий и сооружений к нарушению природного гидрогеологического режима грунтов, в связи с чем изменяется и влажность оснований, требующая специальных методов прогноза при оценке промерзания и пучения грунтов.

Повышение влажности может происходить в результате:

подъема УПВ, прогнозируемого согласно [3];

накопления влаги в поверхностных слоях грунтов за счет нарушения природных условий ее испарения вследствие застройки и асфальтирования территории, устройства водонепроницаемых отмосток и т.п.

3.17. При оценке морозоопасности грунтов по их влажностному режиму помимо определения средней влажности немерзлого грунта  в пределах сезоннопромерзающего слоя и содержания незамерзшей воды w_w в промерзшем грунте следует выявлять следующие расчетные показатели влажности, характеризующие начальные условия и интенсивность пучения грунтов: w_pr - влажность предела пучения немерзлого грунта; w_cr - критическая влажность пучения немерзлого глинистого грунта; w_mg - миграционная влажность (удельное миграционное влагонакопление); w_act - предел активной влажности немерзлого глинистого грунта.

3.18. Содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте w_w зависит от величины его отрицательной температуры T. В соответствии со СНиП по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах

                                                                             (7)

где w_p - влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы; k_w - коэффициент, принимаемый по вышеуказанной главе СНиП в зависимости от вида грунта и его температуры (см. п. 3.21. табл. 2) ; w - влажность грунта, доли единицы; c_ед - равновесная концентрация порового раствора в засоленном грунте, принимаемая в зависимости от температуры:

Примечание. Данные приведены для значений температур ниже температуры начала замерзания.

c_ps - концентрация порового раствора в засоленном грунте, вычисляемая по формуле

c_ps = D_sаl/(D_sаl + 100w),                                                                            (8)

при

D_sаl = m_sаl/ρ_d,                                                                                            (9)

здесь D_sаl - степень засоленности грунта, %; m_sаl - содержание в грунте (по массе) легкорастворимых солей; ρ_d - плотность сухого грунта, т/м³.

Таблица 2.

Значения параметров η, k_w (T_up) и температуры прекращения пучения T_up различных видов пучинистого грунта

Примечание. Для промежуточных значений температуры величина коэффициента k_w принимается по интерполяции.

3.19 Влажность предела пучения w_pr характеризует такое предельно стабильное состояние немерзлого грунта трехфазной системы (скелет + вода + воздух), при котором заполнение воздушных пор льдом в процессе кристаллизации воды не вызывает возможного увеличения объема грунта.

Влажность предела пучения w_pr определяет первое начальное условие пучения грунта любой разновидности, выражаемое неравенством

                                                                                                   (10)

                                                            (11)

здесь  - средняя влажность немерзлого грунта в пределах слоя промерзания, доли единицы; 0,92; ρ_s; ρ_d - соответственно плотность льда, твердых частиц и скелета немерзлого грунта, т/м³ (г/см³); w_w(T_up) -содержание (по массе) незамерзшей воды в мерзлом грунте, доли единицы, при температуре, равной 0,5T_up, [где T_up - минимальная температура зоны промерзании, при которой прекращается пучение грунта (см. п. 3.30, табл. 2)].

Характеризуя стабильное состояние грунта в условиях трехфазной системы, формула (11) не учитывает способности влаги к миграции. Поэтому условие (10) является необходимым, но недостаточным для связных глинистых грунтов.

3.20. Критическая влажность пучения w_cr характеризует такое предельно стабильное состояние немерзлого глинистого грунта, при котором содержание связанной воды практически не влияет на ее подвижность в промерзающем и нижележащем талом грунте.

Наличие влажности в грунте выше критического значения определяет второе начальное условие пучения глинистых грунтов за счет миграции в них влаги в жидкой фазе.

                                                                                                    (12)

                                    (13)

где w_L - влажность грунта на границе текучести, доли единицы; I_р число пластичности, доли единицы.

Критическая влажность w_cr при ρ_s = 2,7 т/м³ может быть определена по рис. 2 на основе исходных данных о водно-физических свойствах грунта. Значение ехр(-2,8I_р) может быть определено по рис. 3.

Рис. 2. Значение критической влажности w_cr в зависимости от числа пластичности I_р и предела текучести w_L грунта (при ρ_s = 2,7 т/м³)

Рис. 3. Значение параметр c = ехр(-2,8I_р)

3.21. Миграционная влажность w_mg характеризует приращение влаги в единице объема промерзающего связного грунта как за счет перераспределения начальной влажности, так и вследствие подтока влаги из смежных зон талого грунта. Миграционное влагонакопление в промерзающем грунте является главной причиной интенсивного пучинообразования и избыточного льдовыделения.

Оценка удельного миграционного влагонакопления w_mg в промерзающем грунте производится по формуле

                                                             (14)

где k_b - параметр, выражающий отношение коэффициентов влагопроводимости талого и мерзлого грунта; в практических расчетах k_b может быть равным:

k_b = w/w_sat при k_b ≤ 1,                                                                              (15)

w_sat - влажность, соответствующая полному водонасыщению талого грунта, доли единицы; I_t - температурный импульс, возбуждающий движение влаги в промерзающем грунте;

I_t = T₀/T_opt, |I_t ≤ 1|,                                                                                     (16)

где T₀ - расчетная температура у поверхности грунта, °С, приравненная средней температуре охлаждающей среды за период промерзания; T_opt - расчетная, оптимальная для миграции влаги температура охлаждающей среды, °С;

                                                                             (17)

где T_up - температура зоны промерзания, при которой прекращается пучение грунта, °С (см. п. 3.30, табл. 2); ÑT_cr - значение критического градиента температуры в зоне промерзания, равное в среднем 10°С/м (0,1°С/см); d_f - глубина промерзания грунта, м(см); η - табулированный коррелятивный параметр (см. табл. 2) , выражающий связь между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания (пучения);

                                                                                  (18)

при μ = 1 - T₁/T₂. /T₂/ > /T₁/

где μ - коэффициент пропорциональности, характеризующий мощность слоя в зоне промерзания в интервале температур Т₁ и T₂ не превышающих по абсолютной величине значения T_up; ψ_t - коэффициент пропорциональности, характеризующий зону одновременного пучения грунта d_f0 = ψ_td_f;

                                                                                        (19)

при

                                                                (20)

где w_w(T₀) - содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре 0,5T₀.

Для оценки коэффициента ψ могут быть использованы графики  представленные на рис. 4.

Рис. 4. Значения параметра

3.22. Предел активной влажности w_opt или иначе оптимальная в смысле пучения влажность немерзлого грунта характеризует такое влажностное состояние промерзающего глинистого грунта, при котором его пучение за счет криогенной миграции воды будет максимальным:

                            (22)

Здесь обозначения те же, что у параметров п. 3.21.

При начальной влажности w > w_opt количество влаги свыше w_opt не участвует в формировании льда миграционного происхождения, так как лед за счет этой влаги компенсируется по объему усадкой талого грунта подстилающего слоя. Поэтому при условии w > w_opt в расчетах миграционной влажности w_mg вместо w следует принимать значение w_opt.

Влияние плотности грунта на пучение

3.23. При оценке влияния естественной плотности грунтов на пучение в первую очередь необходимо принимать во внимание характер гетерогенной системы грунта, представляющей в талом состоянии трехфазную (скелет - вода - воздух) или двухфазную (скелет - вода) среду. В зависимости от этого признака, определяющего степень водонасыщения грунта, его плотность, выражаемая объемной массой скелета ρ_d, будет по-разному влиять на интенсивность пучения.

3.24. В соответствии с первым начальным условием пучения [формула (10)] в трехфазных системах воздушные поры могут частично или полностью заполняться кристаллизующейся водой без увеличения объема грунта в целом. Это обстоятельство позволяет принять некоторую минимальную плотность ρ_min за исходную, ниже значения которой пучение грунта при данной степени его водонасыщения будет отсутствовать.

С увеличением плотности грунта трехфазной системы интенсивность пучения грунта возрастает, достигая максимума при некоторой условной плотности ρ_d0, характеризуемой, с одной стороны, минимальным объемом воздушных пор системы, а с другой оптимальной упаковкой частиц, обеспечивающей наиболее благоприятные условия работы пленочного механизма миграции воды.

Возрастание плотности грунта в условиях двухфазной системы влечет снижение влагосодержания и удельного потока воды, причем последний при w > w_cr становится равным нулю. Как следствие этого соответственно уменьшается и интенсивность пучения грунта.

3.25. При оптимальном, в смысле пучения, водонасыщении грунта его условная плотность ρ_d0, соответствующая максимальному пучению за счет миграционного влагонакопления в промерзающем грунте, ориентировочно составляет

ρ_d0 = (0,8 ÷ 0,9)ρ_opt,                                                                                  (22)

где ρ_opt - оптимальная плотность грунта, под которой понимается плотность при стандартном уплотнении.

3.26. Если грунт, находящийся при плотности ρ_d0, подвергнуть дальнейшему уплотнению, то его интенсивность пучения будет понижаться пропорционально уменьшению потока миграционной влага и при так называемой критической плотности ρ_cr будет равна нулю (рис. 5). При последующем уплотнении этого грунта перераспределение воды в жидкой фазе прекратится, а пучение за счет начального влагосодержания, значительно снижаясь, не выйдет за пределы слабопучинистых грунтов. Влажность уплотненных грунтов при этом обычно не превышает значения критической влажности w_cr.

Рис. 5. Характер изменения интенсивности пучения в зависимости от плотности глинистого грунта

3.27. Стабильное (по морозоопасности) состояние промерзающего грунта определяется его начальным влагосодержанием, пористостью и температурой кристаллизации воды в зоне промерзания. Условие, когда эти параметры характеризуют прекращение пучения грунта, выражается уравнением его стабильного объема

                     (23)

Это уравнение иллюстрировано кривой, представленной на рис. 6. При ρ_d < ρ_cr интенсивность пучения может возрастать за счет как начального, так и миграционного влагонасыщения грунта; при ρ_d >ρ_cr пучение проявляется лишь за счет начальной влажности, не превышая при этом модуля слабо пучинистых грунтов (m_f ≤ 3,5).

Рис. 6. Кривая уравнения стабильного объема промерзающего грунта

1 - зона возможного пучения грунта за счет как начального, так и миграционного водонасыщения; 2 - зона пучения грунта за счет начального водонасыщения (m_f ≤ 3,5)

3.28. Значение критическом плотности скелета ρ_cr, характеризующее стабильность объема промерзающего грунта с достаточной для практики точностью, может быть оценено формулой

                                                           (24)

Пример 1. Определить возможную морозоопасность и условия стабильного объема промерзающего грунта, используемого в качестве грунтовой подушки.

Исходные данные. Грунт - суглинок, имеющий следующие водно-физические свойства:  w_p = 0,16; w_L = 0,28; I_p = 0,12; ρ_s = 2,72 т/м³.

Но данным табл. 2 определяем температуру прекращения пучения суглинка T_up = -2°С и содержание в нем незамерзшей воды

w_w(T_up) = k_ww_p = 0,6·0,16 = 0,1.

По формуле (13) рассчитаем критическую влажность w_cr, определив предварительно по рис. 3 значение ехр(-2,8I_p) = 0,7145:

По формуле (24) определим критическую плотность скелета, при которой пучение суглинка будет отсутствовать:

При этом плотность грунта ρ будет равна.

ρ = ρ_cr(1 + w_cr) = 1,81(1 + 0,178) = 2,13 т/м³.

Таким образом, морозное пучение данного суглинка при начальной влажности  не выйдет за пределы слабопучинистого грунта (m_f ≤ 3,5 см/м) и вовсе прекратится при достижении его плотности ρ = 2,13 т/м³.

Влияние степени охлаждения грунта на пучение

3.29. На характер пучения грунтов влияет степень их охлаждения. Степень охлаждения (как и ее производные - скорость и глубина промерзания грунта) зависит от температурного режима охлаждающей среды, продолжительности периода промерзания, водных и теплофизических свойств грунта, а также теплоизоляции на его поверхности.

3.30. По температурному признаку процесс пучения грунта, протекающий в зоне промерзания, характеризуется интервалом температур, экстремальные значения которой определяют начало процесса пучения T_bp и его прекращение T_up. Как правило, значение T_bp бывает на несколько десятых градуса ниже, чем температура начала замерзания грунта T_bf, что выражается в некотором "опережении" процессов кристаллизации воды над процессом пучения грунта.

Значение T_up характеризует минимальную температуру зоны промерзания, при которой прекращаются перемещение и кристаллизация пленочной воды, способной вызвать увеличение объема промерзающего грунта. Значение температуры T_up для основных видов номенклатурных грунтов приведено в табл. 2 (п. 3.21).

3.31. Неразрывность пленок воды при ее движении в зоне промерзания сохраняется благодаря наличию температурного градиента, образующего градиент концентрации незамерзшей влаги и вместе с тем являющегося непосредственно возбудителем ее движения. Значение этого градиента ÑT_d в зоне промерзания d_f0 может быть выражено

                                                                    (25)

где d_f0 = ψ_td_f (см. п. 3.21); T_bf определяется опытным путем.

Для глинистых грунтов с влажностью (w/w_L) > 0,5 значение T_bf может быть определено по формуле В.И. Федорова

T_bf = T(w/w_L)^-4 при Т = 0,045.                                                                 (26)

3.32. Связь между степенью охлаждения и интенсивностью пучения грунта выражается через величину и периодичность изменений температурного градиента зоны промерзания ÑT_d соответствующего критическому значению ÑT_cr при максимальных скоростях перемещения пленочной воды. Интенсивность пучения понижается по мере отклонения ÑT_d в ту или иную сторону от критического значения, принимаемого в инженерных расчетах равным для глинистых грунтов 10 град/м (0,1 град/см).

3.33. Оценка оптимальных условий пучения грунтов по температурному признаку производится с учетом расчетных значений оптимальной температуры T_opt и температурного импульса I_t, являющихся параметрами расчета миграции воды в условиях действия температурных градиентов ÑT_d < ÑT_cr т.e. когда абсолютное значение средней температуры у поверхности промерзающего грунта

|Т₀| < |T_opt|.

3.34. Температура поверхности грунта, оголенного от снега и других видов теплоизоляции, формируется в результате теплообмена промерзающего грунта с атмосферой и подстилающими его слоями.

Теплоотдача грунта в зимний период приводит к тому, что температура его поверхности T_d несколько превышает температуру воздуха, но, как правило, не более чем на 1,5 - 2°С. Поэтому в практике инженерных расчетов процессов промерзания и пучения за расчетную температуру поверхности оголенного грунта может быть принято значение температуры воздуха Т₀.

3.35. Наличие стационарного слоя теплоизоляции поверхности грунта приводит к задержке начала промерзания грунта, исчисляемой периодом времени t_n, причем в течение последующего периода промерзания грунта t_b средняя температура его поверхности будет более высокая, чем значение Т₀. Поэтому при оценке характеристик пучения теплоизолированного грунта необходимо определение не только глубины промерзания грунта под теплоизоляцией d_fb, но и средней температуры его поверхности Т_b, а также периода времени t_n.

Условия теплоотдачи с поверхности грунта, характеризующие среднее за период промерзания термическое сопротивление теплоизоляции, могут быть учтены путем введения в расчет некоторого эквивалентного этому сопротивлению слоя s_c, зависящего от нестационарного коэффициента теплопередачи k(t) и коэффициента теплопроводности промерзающего грунта

s_c = λ/k(t) = λ_f(1/α_c + h_b/λ_b),                                                                       (27)

где α_c - коэффициент теплоотдачи свободной поверхности, зависящий от конвективного теплообмена у поверхности; в расчетах α_c может быть принят (с запасом) 23 Вт(м²·°С) [20 ккал/(м²·ч·°C)]; h_b/λ_b - термическое сопротивление теплоизоляции при мощности ее слоя h_b, м, и коэффициенте теплопроводности λ_b, Вт/м·°С [ккал/(м·ч·°С)]; λ_f - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м·°С) [ккал/(м·ч·°С)].

При наличии исходных данных о d_f, Т₀, h_b, λ_f, λ_b, рассмотренные выше значения могут быть определены из следующих выражений:

                                                                                 (28)

                                                              (29)

                                                                          (30)

t_n = t₀ - t_b.                                                                                                 (31)

Примечание. При малых глубинах промерзания (до 1 - 1,5 м) значениями λ_b/α_c и λ_f/d_c можно пренебречь.

3.36. Температура воздуха Т₀(t) на момент времени t зимнего периода может быть определена по формуле

T₀(t) = 4t(a - bt),                                                                                       (32)

при

a = T_min/t₀; b = T_min/t²₀,

где Т₀(t) - отрицательная температура воздуха в момент времени t, мес; T_min - минимальная среднемесячная температура воздуха за зимний период t₀, мес.

3.37. Температура поверхности теплоизолированного грунта Т_b(t) текущий момент t его сезонного промерзания определяется по формуле (32) при значениях коэффициентов

a = T_bmin/t_b; b = T_bmin/t²_b,

где T_bmin - минимальная температура поверхности грунта под теплоизоляцией, определяемая по рис. 7 в зависимости от термического сопротивления R = h_b/λ_b.

Рис. 7. Номограмма для расчета минимальной температуры поверхности грунта под теплоизоляцией T_b, ºC в зависимости от термического сопротивления изоляции R, м²·°С/Вт, суммы градус-суток отрицательной температуры (∑T, °С) и числа зимних периодов промерзания (n)

при n = 1; 1 - ∑T = -1200; 2 - ∑T = -1700; 3 - ∑T = -2500; 4 - ∑T = -3000 При ∑T < -3000 (за один сезон); 5 - n = 2; 6 - n = 3; 7 - n = 4

3.38. Текущее значение температуры грунта T_x на глубине d_fx пределах мерзлого слоя d_f(t) можно определить по формуле

T_x[d_fx, d_f(t)] = T_d(t)(1 - d_fx/d_f(t)) + T_bf,                                                   (33)

где T_d(t) - температура поверхности грунта на момент t, определяемая по одному из приведенных методов расчета (пп. 3.34; 3.36; 3.37).

Пример 2. Для уменьшения сил выпучивания фундаментов законсервированного на зимний период строительного объекта поверхность грунтов строительной площадки во избежание их глубокого сезонного промерзания предполагалось покрыть слоем древесных опилок мощностью h_b = 0,2 м и с коэффициентом теплопроводности λ_b = 0,325 Вт/(м·ºС).

Определить глубину промерзания грунта под теплоизоляцией d_fb, среднюю T_b, и минимальную T_bmin температуру его поверхности, а также время начала промерзания грунта t_b при последующих исходных данных.

Грунт - суглинок пылеватый, промерзающий при открытой поверхности до глубины d_f = 2,4 м; коэффициент теплопроводности его в мерзлом состоянии λ_f = 174 Вт/(м·°С) при числе дней с отрицательной температурой за период промерзания грунта t = 208 (t₀ = 7 мес), средняя температура воздуха составляет Т₀ = -16,1°С; коэффициент теплоотдачи α_c = 23 Вт/(м²·°С).

Определяем по формуле (27) эквивалентный слои s_c:

Глубина промерзания грунта под теплоизоляцией согласно формуле (28) составит

Среднюю температуру поверхности грунта под изоляцией в период его промерзания T_b определяем по формуле (29):

Минимальную температуру поверхности грунта в период промерзания определяем по рис. 7 при ∑T = -16,1·208 = -3348, т.е. при ∑T < -3000°С·сут; n = 1 и R = h_b/λ_b = 0,615 м²·°С/Вт

T_bmin = -17,5°С.

Период времени промерзания грунта под теплоизоляцией t_b определяем по формуле (30):

Отсюда, согласно формуле (31), грунт начнет промерзать через t_n = t₀ - t_b = 7 - 6,5 = 0,5 мес (полмесяца после начала установления периода отрицательных температур воздуха).

Влияние мощности слоя промерзшего грунта, нагрузки и геокриологических условий участка на пучение грунтов

3.39. Сезонное промерзание грунтов в природных условиях колеблется в достаточно широких пределах - от нескольких сантиметров в южных областях европейской части СССР до 3 м в северных и северо-восточных регионах страны, а в районах с маловлажными грунтами и незначительным снежным покровом (например, в Центральном и Восточном Забайкалье) - до 5 м и более.

В сложившейся природной обстановке глубина сезонного промерзания незначительно меняется в течение ряда лет и отклонение обычно не превышает 10 - 20% среднего многолетнего значения, принимаемого за нормативное d_fn, причем в районах с глубоким сезонным промерзанием грунтов (2 м и более) процент этого отклонения уменьшается.

Освоение новых территорий и строительство различного рода зданий и сооружений в ряде случаев приводят к существенному изменению глубины промерзания грунтов оснований.

3.40. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_fn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений определяется в соответствии с указаниями СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений на основе теплотехнических расчетов, а для районов, где d_fn < 2,5 м, - по упрощенной формуле

                                                                                    (34)

где ∑|T_м| - сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по главе СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в ней данных для конкретного пункта или района строительства - по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях со строительной площадкой; d₀ - глубина промерзания при ∑|T_м| = 1, зависящая от вида грунта и принимаемая равной, м: для суглинков и глин - 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0,3; крупнообломочных грунтов - 0,34.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное по глубине в пределах слоя промерзания грунта.

3.41. Расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f у фундаментов определяется по формуле

d_f = k_hd_fn,                                                                                                  (35)

где d_fn - нормативная глубина промерзания, определяемая по п. 3.40; k_h - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима здания (сооружения) на глубину промерзания грунта у фундамента стен и колонн, принимаемый согласно данным табл. 3.

Таблица 3.

Значение коэффициента

Примечания: 1. К помещениям, примыкающим к фундаментам наружных стен и колонн, относятся подвалы и технические подполья, а при их отсутствии - помещения первого этажа. 2. При промежуточных значениях температуры воздуха k_h принимается с округлением до ближайшего меньшего значения, указанного в табл. 3.

3.42. Характер учения грунтов по глубине в общем случае обусловлен их влажностным режимом (см. пп. 3.10 - 3.14), а величина пучения пропорциональна в течение всего зимнего периода мощности слоя промерзающего грунта. Особый случай представляет промерзание и пучение грунтов в условиях смыкания слоя сезонного оттаивания с вечномерзлыми или скальными недренирующими породами.

3.43. В районах распространения вечномерзлых грунтов, где наблюдается их смыкание со слоем сезонного промерзания - протаивания (геокриологические условия "сливающегося типа"), необходимо учитывать следующие две особенности, предопределяющие характер пучения грунта по глубине:

а) промерзание грунтов сезоннопротаивающего слоя протекает в течение неполного зимнего периода и прекращается значительно ранее наступления положительных температур воздуха. В условиях небольшого снежного покрова (до 20 - 30 см) или его отсутствия промерзание грунтов заканчивается (т.е. достигает верхней границы вечномерзлых грунтов) в первой половине зимы, как правило, за первые 1,5 - 2 мес с устойчивыми отрицательными температурами воздуха;

б) отсутствие подтока воды в промерзающий грунт извне, т.е. со стороны вечномерзлых (или скальных) пород, обусловливает процесс пучения не во всем промерзающем слое, а лишь в некоторой верхней, активной его части (d_act), составляющей в зависимости от гидротермических условий промерзания от 0,25 до 0,7 мощности этого слоя.

Отмеченные особенности необходимо учитывать в расчетах характеристик пучения путем введения в расчетные схемы значений средней температуры у поверхности грунта Т₀ за фактический период его промерзания и так называемой зоны активного пучения d_act.

3.44. Значение температуры поверхности грунта Т'₀ за период его промерзания может быть определено графоаналитическим методом. Сначала определяется сумма абсолютных значений градусо-суток отрицательных температур воздуха ∑Т'₀ за период промерзания t' грунта:

                                                           (36)

где z₀ - удельная теплота кристаллизации воды, принимаемая равной 33,4 кДж/кг (80 ккал/кг); w - средняя предзимняя влажность грунта сезоннооттаивающего слоя, доли единицы; ρ - плотность скелета грунта, кг/м³; w_w(T_m)- содержание (по массе) незамерзшей воды в мерзлом грунте при температуре, равной 0,5T_m1, где T_m1 - ориентировочное значение температуры воздуха за первый месяц промерзания грунта; λ_f - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м·°С) [ккал/(м·ч·°С)]; d_th - расчетная глубина оттаивающего грунта, м.

Затем в координатах "сумма градусо-суток - время" строится кумулятивная кривая температуры воздуха (рис. 8) за первую половину зимнего периода, на которой находится точка, соответствующая значению ∑T₀. Прямая, проведенная из этой точки параллельно оси ординат до пересечения с осью абсцисс, отсекает на последней отрезок, равный значению t. Отношение ∑T'₀/t' дает искомое значение Т'₀, которое корректируется повторным расчетом по вышеприведенной схеме путем введения в формулу (36) поправки на незамерзшую воду w_w(Т'₀).

Рис. 8. Графический метод построения кривой сезонного промерзания и определения периодов времени промерзания отдельных слоев не однородных по составу грунтов

3.45. В районах распространения вечномерзлых грунтов значение активной зоны пучения d_act слоя сезонного оттаивания d_th определяется по формуле

                                                                                (37)

где w, w_cr, w_mg - те же значения, что и в пп. 3.20, 3.21 и 3.44.

3.46. Зависимость морозного пучения от мощности сезоннопромерзающего слоя, как и от действия внешнего давления (нагрузки) проявляется посредством воздействия массы мерзлого грунта на физико-механические процессы, притекающие при перераспределении воды в подстилающих слоях талого грунта и приводящие к его усадке. В свою очередь согласно п. 2.2 усадка грунта является составной частью величины пучения.

3.47. Величина усадки s_f от веса слоя d_f промерзшего грунта p_g МПа, в общем виде может быть представлена выражением

-s_f(p_g) = 05δ₀d_fp_g = 0,5βE^-1d_fp_g,                                                                (38)

где s_f(p_g) - усадка талого грунта, м, возникающая при пучении грунта в вышележащем промерзшем слое d_f; знак "минус" указывает, что усадка неравнозначна пучению;  - коэффициент сжимаемости (уплотнения) талого грунта, Мпа^-1 (см²/кгс), определяемый стандартным компрессионным испытанием образцов грунта естественной структуры при изменении давления от р₀ = р_g до р₁ = р_g + 0,05 МПа; e₁, e₂ - коэффициенты пористости грунта, соответствующие его природному сложению на глубине ~0,5d_f и при давлении p_i. Е - модуль деформации глинистых грунтов, МПа (кгс/см²), определяемый в зависимости от показателя консистенции и коэффициента пористости в соответствии с указаниями СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений; β - безразмерный коэффициент, равный 0,8.

В зависимости от степени влажности грунта s_r = wρ_s/e₀ρ_w величина s_f, согласно (38), определяется по следующим формулам:

при s_r > 0,95

-s_f(рⁿ_g) = 0,4·10^-5E^-1ρ_sd²_f;                                                                          (39)

при s_r < 0,95

-s_f(р_g) = 0,4·10^-5E^-1ρ_sd²_f(1 + w),                                                                (40)

где ρ_s - плотность минеральных частиц грунта, кг/м³; 10^-5 - переводной коэффициент.

3.48. В условиях заданного давления на грунт от постоянной нагрузки p_i в качестве исходных данных для расчета характеристик пучения, включая усадку грунта, принимаются функционально зависящие от давления средние значения плотности скелета ρ_pi и влажности w_pi талого грунта в слое d_f, оцениваемые следующими соотношениями:

ρ_pi = ρ_s/(e_0i + 1);                                                                                        (41)

                                                (42)

где e_pi - коэффициент пористости грунта при давлении от внешней нагрузки p.

3.49. С изменением плотности и влажности грунта под влиянием внешней постоянной нагрузки p_i изменяется величина усадки, которая для данного случая может быть представлена формулой общего вида

-s_f(р_g; р_i) = 0,5δ_pid_f(р_g + р'_i) = 0,5βE^-1d_f(р_g + р'_i),                                     (43)

где  коэффициент сжимаемости талого грунта, МПа^-1 (см²/кгс) при действии нагрузки p_k, превышающей значение р_i на 0,05 МПа; e_pi; e_k - коэффициенты пористости образца грунта на глубине 0,5d_f, соответствующие значениям p_i и p_k; p_g - давление от массы слоя промерзшего грунта мощностью d_f; p_i - давление на скелет грунта от внешней нагрузки; β, E - те же обозначения, что в формуле (38), п. 3.47.

р'_i = р_i(1 + e_оi).                                                                                          (44)

В зависимости от степени влажности грунта s_r величина усадки (при ρ_s, кг/м³) определяется по следующим формулам:

при s_r > 0,95

-s_f(рⁿ_g.pi) = 0,4E^-1d_f[10^-5ρ_sd_f + p_i(1 + e_pi)];                                                 (45)

при s_r < 0,95

-s_f(р_g.pi) = 0,4E^-1d_f[(1 + w_pi) + p_i(1 + e_pi)],                                                (46)

где w_pi - влажность грунта, уплотненного внешней нагрузкой (см. пп. 3.50, 5.17).

3.50. Определение физических свойств грунта в зависимости от давления производится стандартными компрессионными испытаниями образцов грунта естественной структуры, залегающего в пределах промерзающего слоя d_f. При этом оценка искомых величин сводится к следующей методике.

После полного уплотнения образца грунта нагрузкой p_k, превышающей p_i, в конце опыта определяется плотность скелета грунта ρ_k:

                                                                                                (47)

где g_c - масса образца высушенного грунта после его испытания; A₀ - площадь поперечного сечения образца; l_k - высота образца в конце опыта.

По данным значений ρ_s и ρ_k в соответствии с формулой (41) определяется конечное значение коэффициента пористости

                                                                                              (48)

Значение e_pi грунта, уплотненного заданной нагрузкой p_i, определяется из выражения (3.44) или в соответствии с п. 5.17:

                                                                                               (49)

где l_i - высота образца грунта после полного уплотнения его заданной нагрузкой (i-й); l_i определяется прибавлением в конечной высоте образца величины осадки, соответствующей изменению нагрузки от p_i до p_k; l₀ - приведенная высота образца грунта, определяемая по формуле

                                                                                                (50)

Значение предзимней влажности грунта w_pi рассчитывается по формуле (42) на основании полученных данных о значениях ρ_pi и e_pi или вычисляется непосредственно из опыта по формуле

                                                                                (51)

где g_w - масса воды в образце грунта в конце опыта; g_i - масса образца грунта после уплотнения его заданной (i-й) нагрузкой; g_k - масса образца грунта в конце опыта; g_c - то же, что в формуле (47).

3.51. Предварительно (до промерзания) уплотнение грунтов постоянной нагрузкой, как правило, способствует уменьшению их интенсивности пучения. В первую очередь это положение справедливо для водонасыщенных грунтов, имеющих степень влажности, равную или близкую к единице, когда грунт уплотняется в условиях отжатая свободной воды. Однако в трехфазных системах, у которых влияние нагрузки от сооружения сводится к осадке грунта за счет свободных (воздушных) пор, интенсивность его пучения в последующий период эксплуатации сооружения может измениться как в сторону понижения, так и повышения в соответствии с отмеченными выше закономерностями влияния плотности грунтов на пучение.

4. НАЗНАЧЕНИЕ И ОЦЕНКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОГНОЗА МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ

Общие рекомендации

4.1. Достоверность аналитической оценки характеристик пучения промерзающих грунтов зависит не только от надежности метода их расчета, но и в значительной степени от правильной оценки физических свойств грунтов и обоснованного назначения исходных нормативных значений показателей, определяющих процесс пучения.

4.2. Для прогнозирования характеристик пучения грунтов необходимо установление ряда нормативных значений исходных показателей, к которым в первую очередь относятся:

зерновой (гранулометрический) состав грунта;

плотность скелета грунта ρ_d;

плотность твердых частиц грунта ρ_s;

пластичность грунта w_p, w_L; I_p;

влажность грунта w;

средняя температура T₀ и продолжительность t₀ периода промерзания грунта;

мощность слоя промерзшего грунта d_f.

Остальные показатели определяются расчетом или табулированы в зависимости от состава и физических свойств грунтов обследуемого участка.

Если исходные данные первых четырех наименований являются достаточно постоянными величинами во времени и определяются в ходе проведения изыскательских работ, то остальные параметры в зависимости от различий в годичных климатических циклах и обустройства территории застройки могут претерпеть значительные изменения, вызывая тем самым неопределенность расчетных величин. Поэтому достоверность прогноза характеристик пучения в значительной мере будет зависеть от оптимального выбора и надлежащей обеспеченности трех последних исходных параметров.

4.3. Исследованию подвергаются грунты, которые характеризуют мощность слоя сезонного (или многолетнего) промерзания в пределах контура проектируемого объекта. При выявлении грунтовых вод на обследуемом участке глубину горных выработок, закладываемых в наиболее характерных точках рельефа, следует увеличить в соответствии с данными, приведенными в табл. 1, п. 3.14.

4.4. Количество горных выработок для определения физических свойств грунтов в общем случае зависит от степени неоднородности грунтов основания, типа, назначения и размеров сооружения в плане, особенностей его конструктивных элементов, в том числе фундаментов, а также от степени надежности выявляемых расчетных характеристик. В частности, объем изыскательских работ для каждого типа сооружения и его конструктивного решения может регламентироваться требованием о заданной степени допустимой неравномерности пучения, характеризуемой величиной предельно допустимой деформации неравномерного пучения (см. п. 2.9). Рациональным следует считать такое количество отбора проб грунта, которое с определенной степенью надежности позволяет судить о достаточной освещенности его физических свойств на всем обследуемом участке.

4.5. Показатели физических свойств грунта определенного генезиса и состояния распределяются в соответствии с нормальным законом математической статистики. Поэтому для оценки достоверности того или иного физического показателя, полученного в ходе изысканий, может быть использован метод доверительных пределов, позволяющий определить необходимое число проб, если известны основное (среднее квадратичное) отклонение и точность определения данного показателя.

Согласно методу доверительных пределов, достаточное количество проб n для слоя однородного промерзающего грунта с заданной доверительной вероятностью (надежностью) искомого показателя, численно равной интегралу вероятности , определяется формулой

                                                                                          (52)

где  - нормированное отклонение; ε_д - показатель точности определения, выражающий отношение основной ошибки () среднего значения частичной совокупности  к среднему значению общей совокупности , %; σ₀ - основное отклонение общей совокупности, принимаемое равным при достаточно большом числе наблюдений (n > 20 ~ 30) основному отклонению σ частичной совокупности

                                                                                (53)

где x_i - i-тый член в ряду случайных величин (частное значение данного показателя).

По формуле (52) определяется число наблюдений n, достаточное для того, чтобы на основании частичной совокупности получить среднее значение исследуемого показателя, отличающееся от его среднего значения общей совокупности не более чем ±ε_д.

Применяя эту формулу при использовании основной ошибки среднего значения с нормированным отклонением  будем иметь степень надежности  При другой заданной вероятности  определяем t:

Основное отклонение характеризует рассеяние значений ряда распределений. Оно не зависит ни от генетической, ни от возрастной принадлежности обследуемого слоя грунта. Для приближенных расчетов количества проб грунта могут быть рекомендованы следующие значения допустимых основных отклонений: ρ_s -0,02 т/м³; для ρ_d - 0,07 т/м³; для w, w_L и w_p соответственно 4,5 и 3%.

Существенно влияет на число n показатель точности определения ε_д. Чем точнее произведено исследование, тем меньше будет показатель ε_д. В зависимости от природы изучаемого явления показатель точности исследования считается достаточным, если он не превышает 3 - 5%.

Рекомендуемые допустимые значения этого показателя, по А.А. Кагану, для ряда физических характеристик грунтов приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Значение показателя точности определения физических характеристик грунтов ε_д

Величины основных отклонений для исследуемого слоя грунта могут отличаться от значений, которые приведены выше. Поэтому в конкретных условиях число n должно уточняться в ходе исследований.

4.6. При оценке характеристик пучения следует различать два вида их прогноза - краткосрочный и долгосрочный.

Краткосрочный прогноз предусматривает оперативное определение характеристик пучения с целью установления возможного влияния морозоопасности грунтов на конструктивный объект в предстоящий зимний период.

Долгосрочный прогноз, предусматривает определение максимальных деформаций пучения, способных возникнуть при существующих условиях за длительный период эксплуатации сооружения. Эти значения могут предназначаться для учета пучинистых свойств грунтов как на конкретной строительной площадке, так и для района строительства в целом.

При долгосрочном прогнозе исходные показатели подлежат обязательной статистической обработке. При этом для гражданских и промышленных сооружений согласно СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений рекомендуется задаваться следующей доверительной вероятностью (степенью надежности)

при расчете оснований по несущей способности - 0,95;

при расчете оснований по деформации - 0,85;

для особо ответственных сооружений 1 класса - 0,99.

Пример 3. При изысканиях под промышленное сооружение на стадии технического проекта исследован двухметровый слой суглинка, средняя влажность которого по определению 45 проб составила 25%.

Определить для достоверной оценки данного показателя необходимое число проб n грунта на влажность при заданной степени надежности  рассчитанное по формуле (53) основное отклонение σ составило 3%.

Подставив полученные значения в формулу (52), найдем для характеристики влажности показатель точности определения ε:

При влажности w = 25% показатель точности определения должен быть не более 1,2%. Таким образом, полученная по 45 пробам точность превышает табличную. Для выбора расчетного значения влажности в данном случае можно было бы ограничиться

Назначение исходных данных при краткосрочном прогнозе

4.7. При краткосрочном прогнозе характеристик пучения в первую очередь необходимо учитывать местные сведения об осенне-зимнем периоде обследуемой территории (погодные условия, режим увлажнения грунтов и т.п.), которые могут быть получены на ближайшей метеостанции на основании опыта местного строительства и проводимых ранее изысканий, а также в результате опроса населения.

4.8. Физические показатели грунтов допускается определить в летне-осенний период, предшествующий расчетному зимнему сезону. Лишь определение влажности грунтов, как правило, должно проводиться осенью или, как исключение, рассчитываться по данным разовых замеров в летний период с поправкой на осеннее увлажнение грунтов.

Расчетное значение влажности определяется на основании обследования грунтов строительной площадки путем отбора проб из выработок, закладываемых в наиболее характерных точках площадки (на повышенных и пониженных участках, в углах проектируемого на площадке здания и т.п.). За расчетные значения w принимаются экспериментальные значения, полученные по ряду обследованных выработок, глубина которых назначается в зависимости от расчетной глубины промерзания и разновидности грунтов с учетом их обводнения грунтовыми водами.

4.9. Отбор проб грунта на влажность производится в выработках бороздковым методом, позволяющим охарактеризовать послойную влажность в пределах мощности слоя 20 - 25 см. Значение средней влажности w рассчитывается по формуле

                                                                                            (54)

где w₁, w₂, … , w_i, … , w_n - послойная влажность талого грунта в пределах сезоннопромерзающего слоя d_f; h₁, ... , h_n - мощность отдельных слоев талого грунта.

Примечания: 1. В условиях влияния УПВ на грунты сезоннопромерзающего слоя глубина выработок для отбора проб на влажность увеличивается в соответствии с табл. 1, п. 3.14. 2. При наличии на площадке обследования подземных вод, уровень которых в предзимний период доходит до отметки, соответствующей более чем половине нормативного расстояния, указанного в табл. 1, и глубине сезонного промерзания d_f в качестве расчетного значения принимается влажность, соответствующая полному водонасыщению грунта.

4.10. Нормативная глубина сезонного промерзания d_f,n и расчетная температура поверхности грунта T₀ определяются на основании климатологических данных районов обследования, а также данных ближайшей метеостанции в соответствии с рекомендациями пп. 3.34; 3.35; 3.40; 3.41; 3.43; 3.45.

При наличии данных наблюдений за глубиной промерзания грунта в течение ряда лет и данных о средне зимних температурах воздуха за те же годы в качестве значений T₀ и d_f,n принимаются данные того года, в котором отношение величин  является максимальным.

4.11. При переходе от нормативной глубины промерзания грунта на оголенном от снега и дерна участке к глубине промерзания конструкции автомобильных дорог значение d_f,n умножается на коэффициент 1,2.

При наличии на поверхности промерзающего грунта теплоизоляционного покрытия расчет параметров T₀ и d_f,n производится в соответствии с рекомендациями п. 3.35.

Назначение исходных данных при долгосрочном прогнозе

4.12. При долгосрочном прогнозе характеристик пучения определение физических показателей, в частности расчетной влажности грунтов, следует производить в летне-осенний период после полного оттаивания грунтов, промерзающих в течение предшествующего зимнего сезона. При этом обследование грунтов строительной территории производится в соответствии с рекомендациями, приведенными в пп. 4.1 - 4.9.

4.13. Методика оценки расчетной (предзимней) влажности грунта при долгосрочном прогнозе основывается на том, что общее влагосодержание талого грунта в поверхностном слое ограниченной мощности d_f в любой момент летне-осеннего сезона может рассматриваться как функция осадконакоплений и испарения с поверхности грунта за определенный предшествующий период, длительность которого зависит от фильтрационных свойств исследуемого грунта.

Согласно этому положению, значение расчетной влажности может быть определено по формуле

w = k_E(w_nΩ₀/Ω_e),                                                                                      (55)

где w_n - средняя влажность грунта в пределах сезоннопромерзающего слоя d_f, полученная в результате проводимых в летне-осенний сезон изыскании; Ω_e - расчетное (по многолетним данным) количество осадков, выпавших за некоторый летний период t_e, предшествующий моменту проведения изысканий; Ω₀ - расчетное (по многолетним данным) количество осадков, выпавших в предзимний (до установления отрицательных температур воздуха) период t₀, равный по продолжительности периоду t_е; k_e - коэффициент, учитывающий различие в условиях испарения с поверхности грунта в периоды t_e и t₀, рассчитываемые по многолетним данным:

                                                                       (56)

где p_е, p₀ - среднее атмосферное давление соответственно за периоды t_e и t₀; U₀, U_e - средняя скорость ветра соответственно за периоды t_e и t₀; ∆l_e, ∆l₀ - средняя абсолютная влажность воздуха соответственно за периоды t_e и t₀; ∆U_e(0), ∆l_e(0) - средние разности скорости ветра и влажности воздуха на двух уровнях в пределах 2 м от поверхности грунта соответственно за периоды t_e и t₀.

При некотором запасе надежности расчета влажности w значение коэффициента k_E в формуле (55) может быть принято равным единице.

Примечания: 1. Формула (55) справедлива при допущении, что поверхностный сток на строительной площадке в периоды t_e и t₀ остается неизменным. 2. Испарение с поверхности грунта, как правило, уменьшается по мере приближения зимнего сезона.

Продолжительность периода t_e определяется по формуле

T_e = (d_f/k_ф) ≤ 90 сут,                                                                                 (57)

где k_ф - коэффициент фильтрации исследуемого грунта, м/сут.

Значение t_e может быть ограничено 90 сутками, поскольку при малой водопроницаемости морозных грунтов (k_ф < d_f/90) процесс изменения его влажностного режима за счет инфильтрата осадков протекает настолько медленно, что за 3-месячный период не выходит за пределы слоя d_f.

Ориентировочные значения t_e для отдельных видов грунта составляют: для супеси - 0,5 - 1 мес; для суглинка - 2 мес; для глины - 3 мес.

Расчетные величины Ω_e и Ω₀ определяются по формуле

                                                                                     (58)

где  - среднее количество осадков, выпавших соответственно в периоды t_e и t₀ за n лет наблюдений;  - нормированное отклонение количества осадков за периоды t_e и t₀ от среднего значения  при заданной степени надежности (см. п. 4.5); σ - основное отклонение (см. п. 4.5).

Расчет искомых величин по изложенной схеме правомерен при достаточно большом числе справочных данных об осадках, составляющих непрерывный ряд не менее чем за 20 лет (n > 20).

Располагая данными о количестве осадков за 10 - 20 лет, расчет Ω_e и Ω₀ производится в соответствии с критериями значимости при малом объеме наблюдений. В этом случае основное отклонение заменяется в расчете его оценкой σ_s, определяемой из дисперсии по формуле

                                                                     (59)

где Ω_e(0)i - количество осадков, выпавших соответственно в периоды t_e и t₀ за i-тый год наблюдений.

При этом в зависимости от принятой обеспеченности и числа лет наблюдений n нормированное отклонение  находят по таблице значений доверительных показателей (табл. 5).

Таблица 5.

Значения  при заданной обеспеченности

4.14. Расчетная температура поверхности грунта T₀, определяется на основе обработки многолетних (не менее чем за 10 лет) климатологических данных об отрицательных температурах воздуха района обследования по следующей формуле:

                                                                           (60)

где ∑T_mi - сумма значений среднемесячных отрицательных температур воздуха в i-том году; t_ni - число месяцев с отрицательной температурой воздуха в i-том году; n - число наблюдений (n > 10).

4.15. Нормативная глубина промерзания d_f.n определяется на основе обработки многочисленных (не менее чем за 10 лет) данных о промерзании грунтов района обследования, а при их отсутствии - теплотехническим расчетом или по указаниям п. 3.40 с введением в расчетные формулы значения  (см. п. 4.14).

При наличии данных наблюдений за глубиной промерзания грунта d_fx в течение ряда лет (в крайнем случае, за один год), а также данных о среднезимних температурах воздуха за те же годы, значение d_f.n может быть определено по формуле

                                                                                (61)

где d_fx - средняя глубина промерзания за ряд (x) лет (или, в крайнем случае, за один год) ; T_x - средняя за тот же ряд (х) лет наблюдений среднезимняя температура воздуха;  - средняя многолетняя за n лет наблюдении (n = 10 - 20) среднезимняя температура воздуха;  - нормированное отклонение, определяемое по данным табл. 4; σ_s - оценка основного отклонения, определяемая по формуле

                                                                              (62)

здесь T_oi - среднезимняя температура воздуха за i-тый год наблюдений.

4.16. Долгосрочный прогноз температуры поверхности и глубины промерзания грунта под стационарными слоями теплоизоляции и покрытиями автомобильных дорог производится с использованием расчетных параметров пп. 4.14 и 4.15 в соответствии с рекомендациями пп. 3.55 и 4.11.

5. ПРОГНОЗ ХАРАКТЕРИСТИК МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ РАСЧЕТОМ

Общие рекомендации

5.1. Прогноз величины и интенсивности морозного пучения грунтов производится расчетом на основании данных исследования физико-механических свойств талых грунтов площадки обследования (см. разд. 4), причем за исходные данные принимаются результаты инженерно-строительных изысканий, предопределяющие наиболее неблагоприятные, в смысле пучения, грунтовые условия.

5.2. При назначении расчетных данных в первую очередь необходимо исходить из гидрогеологических условий грунтов площадки обследования. В районах, характеризующихся сезонным промерзанием грунтов, где вечномерзлые породы отсутствуют или залегают на достаточно большой глубине, по геокриологическому признаку следует различать:

участки, сложенные грунтами, имеющими предзимнюю влажность, соответственно равную или близкую полному водонасыщению, т.е. когда w > w_pr [см. п. 3.19, формула (11)];

участки, сложенные грунтами, имеющими неполное водонасыщение в осенний период, т.е. когда w ≤ w_pr.

Участки первою типа, как правило, характеризуются наличием грунтовых вод, расстояние от уровня которых до границы сезонного промерзания не превышает значений, приведенных в табл. 1.

Участки второго типа характеризуются отсутствием грунтовых вод или залеганием их уровня ниже границы сезонного промерзания грунтов на расстоянии, превышающем значения табл. 1.

Приведенные градации влагосодержания диктуют выбор схемы расчета избыточного льдовыделения i_ef в промерзающем грунте, а следовательно, и деформаций его пучения.

5.3. Во всех рассмотренных ниже расчетных схемах глубина промерзания d_f принята при значении температуры открытой поверхности грунта T_d = T₀. Для случая теплового воздействия на промерзающий грунт сооружения или теплоизоляционного покрытия, а также для геокриологических условий "сливающегося типа" значения глубины промерзания и температуры поверхности грунта принимаются в соответствии с рекомендациями, приведенными в пп. 3.35; 3.41; 3.43 - 3.45.

5.4. Значения параметров k_w(T), η и T_up, входящих в расчет миграционного влагонакопления (п. 3.21) для незаселенных грунтов, приведены в табл. 2. Для засоленных грунтов, содержащих незамерзшей воды  параметр η рассчитывается по формуле (18), а температура прекращения пучения засоленного грунта  - по следующей формуле:

                                                                   (63)

5.5. Величина пучения грунта h_f может быть представлена уравнением общего вида

                                                                                          (64)

где, согласно уравнению (1),

f = f'₀ + (-s'_f);                                                                                             (65)

при

                                                                                                (66)

                                                                                    (67)

где h_f - избыточное льдовыделение, доли единицы, характеризующее количество замерзшей воды, вызывающей пучение грунта; δ₀, δ_pi - коэффициенты сжимаемости талого грунта соответственно при действии массы слоя промерзшего грунта и внешней нагрузки p_i (см. пп. 3.47 - 3.49). В соответствии с выражениями (64) - (67) расчет интенсивности f (доли единицы) и величины h_f, м, пучения промерзающего грунта производится по формулам:

                                                                           (68)

                                                                  (69)

Расчет характеристик пучения глинистых водонасыщенных грунтов при w > w_pr

5.6. Для глинистых грунтов с начальной влажностью w в осенний период, превышающей влажность предела пучения (п. 3.19), избыточное льдовыделение i_ef оценивается формулой

i_ef = 0,09[w - w_w(T_up)] + 1,09w_mg,                                                             (70)

где w_w(T_up) - содержание незамерзшей воды в промерзающем грунте, определяемое по рекомендациям п. 3.18; w_mg - средняя миграционная влажность в пределах слоя промерзающего грунта и.г, определяемая по рекомендациям п. 3.2 в соответствии с условием w > w_opt (см. п. 3.22).

5.7. Величина пучения глинистого ненагруженного грунта (p_i = 0) при условии w > w_pr определяется в соответствии с формулами (69), (70), (39) и (40) п. 3.47 из выражения

                                                                             (71)

Примечание. В условиях p_i = 0, d_f < 2,5 - 3 м, w < w_opt оценка значений h_f и f может производиться без учета величины усадки (-s_f = 0), идущей в этом случае в запас надежности расчетных характеристик.

5.8. При действии внешней нагрузки на промерзающий грунт (p_i ≠ 0) и учете при этом изменения физических свойств (п. 3.48) величина пучения при w_pi > w_pr(pi) в соответствии с формулами (45), (46) п. 3.49 определяется из выражения

                       (72)

при

                                                         (73)

                                                                             (74)

                                                   (75)

где индексы pi у параметров, входящих в формулы (72) - (75), указывают на их зависимость от внешней нагрузки p_i.

Расчет характеристик пучения глинистых грунтов при неполном их водонасыщении при w ≤ w_pr

5.9. Для глинистых грунтов, имеющих в осенний период влажность, ниже пни равную влажности предела пучения w_pr (п. 3.19), избыточное льдовыделение i_ef оценивается формулой

                                                                      (76)

где ψ_t, B - те же значения, что в формуле (14) п. 3.21.

5.10. Величина пучения глинистого ненагруженного грунта (p_i = 0) при условии w ≤ w_pr определяется в соответствии с формулами (69), (76), (39) и (40) п. 3.47 из выражения

                                                                             (77)

Примечание. В условиях p = 0 и h < 2,5 - 3 м оценка значений h_f и f может производиться без учета величины усадки (-s_f = 0), идущей в запас надежности расчетных характеристик.

5.11. При действии внешней нагрузки на промерзающий грунт (p_i = 0) и учете при этом изменения физических свойств (п. 3.48) величина пучения при w ≤ w_pr(pi) в соответствии с формулами (45), (46) п. 3.49 определяется из выражения

                                (78)

где ψ_t(рi); B_pi - расчетные параметры, определяемые по формулам (73) - (75) в зависимости от действия внешней нагрузки p_i.

Примеры расчета.

Пример 4. Определить величину h_f и среднюю интенсивность  пучения аллювиального пылеватого суглинка на оголенной площадке в условиях г. Игарки при промерзании до глубины 2,2 м.

При средней влажности промерзающего грунта w = 33,3% его послойная предзимняя влажность до глубины d_f = 2,4 м составляла:

При числе дней с отрицательной температурой за отмеченный период t = 208 и ∑T = 3348 средняя температура на поверхности грунта T_d = T₀ = -16,1°С. Остальные данные: w_p = 27%; w_L = 38%; I_p = 11%; ρ_s = 2,83 т/м³; ρ_d = 1,46 т/м³; w_sat = 33,2%. Согласно табл. 2, получим: T_up = -2,5°С; η = 5; K_w(T_up) = 0,575. Тогда w_w = 0,575×27 = 15,5%. По формулам п.п. 3.19 - 3.22 определим значения k_b, w_pr, w_cr, I_t, T_opt, w_opt, w_mg, k_b = w/w_sat = 33,3/33,2 = 1; w_pr = 0,92w_sat + 0,08w_w(T_up) = 0,92×0,332 + 0,0124 = 0,318. При ехр(-2,8I_p) = 0,733 (см. рис. 3).

Определив по рис. 4 при w/w_cr = l,31 и T_up/T₀ = 0,155 значение ψ = 0,95, получим

Значение |T_opt| < |T₀|, следовательно, I_t = 1.

При w > w_pr избыточное льдовыделение i_ef определим по формуле

i_ef = 0,09[w - w_w(T_up)] + 1,09w_mg = 0,09(0,333 - 0,155) + 1,09 - 0,0438 = 0,0637.

Пренебрегая усадкой грунта (-s_f = 0), величина пучения, согласно формуле (71), будет равна:

При этом средняя интенсивность пучения составит:

Пример 5. Определять величину h_f и среднюю интенсивность  пучения при тех же условиях, что в примере 4, но при действии давления от нагрузки на поверхности грунта p_i = 0,12 МПа.

Согласно опытным данным, коэффициент пористости ненагруженного грунта, равный e₀ = (ρ_s/ρ_d) - 1 = 0,94, изменится на глубине 1 - 1,1 м при давлении от нагрузки p_i до e_pi = 0,86. При этом изменится плотность скелета ρ_d и начальная влажность w грунта до значений ρ_pi и w_pi. По формулам (41) и (42) при w = w_sat определим ρ_pi и w_pi:

Определив по рис. 4 при w/w_cr = 1,2 и T_up/T₀ = 0,155 значение φ = 1,04, найдем  В соответствии с формулой (17) |T_opt| < |T₀|, отсюда I_t = 1. По формулам (73) и (74) определим значения w_pr(pi) и B_pi:

Для оценки усадки грунта s_f при пучении определим в соответствии с указаниями СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений нормативное значение модуля деформации E в зависимости от коэффициента пористости e_pi и показателя консистенции I_L:

при e_pi = 0,86; I_L = 0,31; E = 10,7 МПа (107 кгс/см²).

Тогда усадка грунта s_f при пучении s_r = l, согласно формуле (45), будет равна:

При w_pi > w_pr(pi), величина пучения h_f, согласно формуле (72), будет равна:

Средняя интенсивность пучения  при этом будет равна:

Пример 6. При тех же условиях, что в примерах 4 и 2, определить величину h_f и среднюю интенсивность  пучения грунта при устройстве теплоизоляционного покрытия на его поверхности.

Согласно расчетным данным, приведенным в примере 2, средняя температура поверхности и глубина промерзания грунта под теплоизоляцией соответственно равны: T_b = -6,4°С; d_fb = 1,51 м.

Средняя предзимняя влажность грунта до глубины 1,6 м составит w = 32,l%.

В соответствии с п. 3.21 определим значения k_b, ψ, ψ_t, T_opt и I_t. k_b = w/w_sat = 32,1/33,2 = 0,97 при w/w_cr = 32,1/25,3 = 1,27 и T_up/T₀ = 2,5/6,4 = 0,39, согласно рис. 4, ψ = 0,98. Отсюда

Значение |T_opt| > |T_b|, следовательно, I_t = -T_b/-T_opt = -6 4/-8,2 = 0,78.

При значениях k_b и I_t, меньших, чем в примере 1, очевидно w < w_opt.

Определим значения w_mg и i_ef по формулам (14), (70):

Пренебрегая усадкой грунта (-s_f = 0), величина пучения h_f, согласно формуле (71), составит

а средняя интенсивность пучения

Расчет характеристик пучения песчаных и крупнообломочных грунтов

5.12. Пучинистые свойства несвязных крупнозернистых грунтов оцениваются на основе предварительного выявления их гранулометрического состава, в зависимости от которого эти грунты в порядке возрастания их возможной морозоопасности подразделяются на следующие группы:

1) крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, гравелистые, крупно- и среднезернистые пески, не содержащие включении пылевато-глинистых фракций;

2) пески первой группы, содержащие включения пылевато-глинистых фракций;

3) пески мелкие и пылеватые, а также супеси с I_p < 2%;

4) крупнообломочные грунты преимущественно с пылевато-глинистым заполнителем.

В приведенных группах степень пучинистости грунтов возрастает по мере увеличения в их состава пылевато-глинистых фракций.

5.13. Грунты первой группы п. 5.12 относятся к неморозоопасным грунтам. Как уже отмечалось (см. п. 3.3), лишь при залегании их в условиях замкнутого объема, где невозможен беспрепятственный отток воды из промерзающего массива, эти грунты переходят в категорию слабопучинистых грунтов. Если при этом минеральные частицы не испытывают взвешивающее действие воды, максимальное значение модуля пучения m_f, соответствующее полной влагоемкости грунта (i_ef = 0,09w_sat), определяется по формуле

                                                                     (79)

5.14. Грунты последних трех групп п. 5.12 в зависимости от содержания в них пылевато-глинистых фракций, обусловливающих количество связанной воды, могут быть как морозоопасными, так и неморозоопасными грунтами. Поэтому прежде чем делать количественную оценку пучения таких грунтов, необходимо определить их критерий дисперсности Д (п. 5.15), на основании которого устанавливается принадлежность грунта к категории морозоопасных.

5.15. Способность грунта к связыванию количества влаги, необходимого для развития процесса пучения, может быть выражена через капиллярный потенциал, пористость и интегральную поверхность частиц в единице объема грунта. В обобщенном виде эти показатели представляют собой критерий морозоопасности грунта по степени дисперсности (критерий дисперсности) Д, определяемый по формуле

                                                                             (80)

где σ - удельная поверхностная энергия [поверхностное натяжение (σ = 0,77·10^-2 кг/м (0,077 г/см)]; k - коэффициент пропорциональности, равный 10^-10; e - коэффициент пористости талого грунта;  - плотность воды, ρ_w = 1000 кг/м³ (1 г/см³); d₀ - средний диаметр частиц (агрегатов) грунта, м, определяемый по формуле

d₀ = (p₁/d_l + p₂/d₂ + ... + p_i/d_i)^-1,                                                                (81)

где p₁, p₂, ..., p_i - процентное содержание отдельных фракций грунта, доли единицы; d_l, d₂, ..., d_i - средний диаметр частиц отдельных фракций, м. В практических расчетах диаметры отдельных классифицированных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный диаметр последней наименьшей фракции принимается ее максимальный диаметр, деленный на коэффициент 1,4.

Граница перехода неморозоопасной системы в морозоопасную соответствует значению критерия дисперсности Д = 1.

При Д < 1 грунты относятся к неморозоопасным; пучение их возможно лишь в частном случае, отмеченном в п. 5.13.

При 1 < Д < 5 грунты относятся к слабопучинистым; модуль пучения их составляет не более 3,5 см/м промерзающего грунта.

При Д >5 грунты относятся к последующим, более высоким степеням морозоопасности; пучинистые свойства таких грунтов подлежат дополнительным расчетам.

Примеры расчета.

Пример 7. Оценить степень морозоопасности природного кварцевого песка из г. Надыма, имеющего коэффициент пористости e = 0,45¸0,7 и следующий гранулометрический состав:

В соответствии с рекомендациями п. 5.15 определим средний размер частиц отдельных фракций:

d₁(> 0,1) = 0,1·1,4 = 0,14·10^-3 м;

d₂(> 0,05) = 0,05·1,4 = 0,07·10^-3 м;

d₃(< 0,05) = 0,05:1,4 = 0,035·10^-3 м.

По формуле (81) рассчитаем средний диаметр песка d₀:

Критерий дисперсности составит тогда, согласно формуле (80), при

при e =0,7 Д = 1,8

Следовательно, по расчету надымский песок относится к слабопучинистым грунтам (m_f = 3,5). По экспериментальным данным ЛенЗНИИЭП значения модуля пучения этого песка достигают 1,2 - 2,5 см/м.

Пример 8. Минимальное содержание мелкозема, при котором наблюдается пучение элювиальных крупнообломочных грунтов Урала, составляет 5%. Если принять средний размер частиц мелкого заполнителя 0,01 мм, а крупных фракций 1 мм, то при их процентном соотношении 5:95 и минимальной пористости n = 0,3 (e = 0,43) критерий дисперсности

что подтверждают данные экспериментальных исследований.

5.16. Характеристики пучения морозоопасных крупнозернистых грунтов, имеющих Д > 5, рассчитываются с учетом так называемого "буферного эффекта" свободной воды, заключающегося в ее отжатии от границы промерзания в подстилающие слои талого грунта вследствие высоких фильтрационных свойств и малой влагоудерживающей способности песчано-гравелистых частиц. Учет "буферного эффекта" сводится к оценке количества влаги w_y, удерживаемой скелетом грунта и вводимой в расчет вместо начальной влажности w. Являясь переменным значением, величина w_y зависит от давления, возникающего в промерзающем грунте при кристаллизации воды.

В песчаных грунтах вся нагрузка воспринимается непосредственно их скелетом. Учитывая, однако, что в грунтах последних трех групп п. 5.12 находится то или иное количество пылевато-глинистого заполнителя (мелкозема), с некоторым допущением можно считать, что давление будет восприниматься как песчаными частицами, так и гидратными оболочками тонких фракций. Поэтому при свободной (незагруженной) поверхности водонасыщенного несвязного грунта

w_y1 = w_pi(p_g) при p_g = ρ_sd_f,                                                                       (82)

где w_y1 - расчетное значение количества влаги, доли единицы, удерживаваемой скелетом несвязного грунта при действии давления, равного p_g, МПа (кгс/см²); d_f - глубина промерзания грунта, м.

При действии внешней нагрузки p_i на грунт

w_y2 = w_pi(p_g,pi) при p_(g,pi) = p_g + p_i,                                                            (83)

где w_y2 - расчетное значение количества влаги, доли единицы, удерживаемой скелетом несвязного грунта при действии давления от грунта p_h и внешней нагрузки p_i, МПа (кгс/см²).

5.17. Изменение влажности крупнозернистых грунтов в процессе их уплотнения нагрузкой невозможно установить непосредственно опытом, поскольку в момент снятия нагрузки с испытываемого образца объем пор грунта увеличивается и быстро поглощает воду из чаши, в которой находится образец. Если же воду слить перед снятием нагрузки, то вода вытекает из пор грунта. Поэтому определение значения w_pi для крупнозернистых грунтов (как и для других видов грунтов) может быть произведено по результатам изменения деформаций образца грунта при компрессионном испытании на основе оценки соответствующего коэффициента пористости e_pi, определяемого по формуле Н.А. Цытовича

                                                                                    (84)

при e = (ρ_s/ρ_d) - 1; ρ_d = ρ/(1 + w),