Устройство для определения сил морозного пучения грунта

Полезная модель относится к строительству, в частности к технике для определения касательных сил морозного пучения грунта, и может быть использована при изысканиях, проектировании и строительстве зданий и сооружений.
Известно устройство для измерения касательных сил морозного пучения, состоящее из анкерной опоры, модели фундамента, опорных плит, рабочей пластины, анкерных тяг, стального шарика и натяжных гаек (см. кн.: Орлов В.О. и др. «Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений», Л., 1977 г., Стройиздат, стр. 130, рис. 33).
Недостатком известного устройства является неточность измерений касательных сил пучения, так как в процессе промерзания грунта на измерительное устройство передается как сила пучения, так и сила трения немерзлого грунта по боковой поверхности фундамента, направленная в обратную сторону.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для определения касательных сил морозного пучения, включающее круглую полую сваю, состоящей из отдельных железобетонных секций, разделенных резиновыми прокладками, анкерный металлический сердечник, снабженный кронштейнами, силоизмерительное устройство, расположенное между опорными плитами и гайку-фиксатор (см. авторское свидетельство №155138, МПК E02D, 84С33).
Недостатком такого устройства является сложность изготовления и погружения в грунт, так как требуется обжатие секций домкратами. При этом сложно обеспечить герметичность силоизмерительных устройств, что при эксплуатации из-за образования конденсата внутри полых секций приводит к наледеобразованию и выходу их из строя. При погружении забивкой возможны также и механические повреждения. Надежность измерений касательных сил морозного пучения при этом резко снижается, а показания на силоизмерительных устройствах могут быть сильно искажены. Кроме того, недостатком устройства является то, что при значительных размерах секций по высоте на показаниях силоизмерительных устройств также сказывается сила трения немерзлого грунта. В связи с чем надо в измерения вносить коррективы. При этом по окончании воздействующих сил пучения, секции не восстанавливают свое исходное положение, поэтому с наступлением нового цикла измерений требуется вносить соответствующие поправки по определению точки отсчета приложения воздействий усилий по глубине промерзающего грунта, которая берется во внимание при расчете фундаментов на действие сил морозного пучения.
Технической задачей заявляемой полезной модели является упрощение изготовления и повышение надежности измерения сил морозного пучения.
Указанная задача решается тем, что предлагаемое устройство для определения сил морозного пучения, включающее полую сваю, состоящую из отдельных секций, анкерный сердечник с кронштейнами, силоизмерительный датчик, расположенный между двумя опорными плитами, закрепленными на кронштейнах, каждая секция в сечении выполнена  -образной формы, размер анкерного сердечника составляет не менее чем 3 глубины промерзания грунта, а взаимодействующие друг с другом трущиеся поверхности устройства смазаны незамерзающим веществом, например, солидолом.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства погруженного в грунт, на фиг. 2 -продольный разрез устройства, на фиг. 3 - аксонометрия секции в разрезе.
Устройство включает погруженный в грунт 1 анкерный сердечник 2, выполненный в виде полой металлической трубы, с установленными на ней секциями 3, взаимосвязанными между собой выступами 4 и пазами 5 через прослойку незамерзающего вещества (солидол) 6, заанкеренный ниже глубины сезонного промерзания грунта, жестко закрепленные в верхней части трубы кронштейны 7, с надетыми на них опорными плитами 8 и 9, между которыми размещено силоизмерительное устройство 10, представляющее собой динамометр сжатия. Нулевой отсчет динамометра выводится перед испытаниями крепежными гайками 11, фиксирующими неподвижность верхней опорной плиты 9. Внутри трубы 2 размещен мерзлотомер (на чертеже не показан). Для обеспечения точности измерений секции 3 изготавливают по высоте размером 20-25 см.
Монтаж устройства производится следующим образом.
На стройплощадке при помощи ударного механизма или вибропогружателя полая труба 2 погружается в грунт 1. Перед погружением на трубу 2 надевается нижнее кольцо секции 3 и закрепляется на ней с помощью сварки на высоте, превышающей глубину промерзания грунта (Нпр). Далее верхняя часть трубы 2 обмазывается солидолом 11. Затем на трубу 2 устанавливаются остальные секции 3 и производится ее забивка на расчетную глубину. По окончанию забивки к верхнему участку трубы 2 прикрепляют кронштейны 7 с резьбой на конце. На кронштейнах 7 монтируют опорные плиты 8 и 9 с силоизмерительным устройством 10 между ними и фиксируют крепежными гайками 11.
Для обеспечения надежной работы устройства производят расчет его анкеровки в грунте.
Длина нижней части анкерного сердечника определяется из условия превышения силы заанкеривания (Fa), максимальной силой выпучивания (Тn) не менее чем на 20%, т.е. 1,2 Fa≥Тп. Величина Тn определяется при нормативной глубине промерзания (Нnр) для района испытаний, и принимается согласно СНиП 2.02.01-83 стр. 5 п. 226 ф.2 при наибольших из нормируемых значений средних по глубине промерзания касательных сил пучения, принимаемых для сильнопучинистых грунтов ƒn=100кПа.
Согласно СНиП 2.02.04-88 расчетная сила заанкеривания (Fa) определяется в зависимости от сопротивления грунтов сдвигу(ƒс) по боковой поверхности устройства в зоне заделки: Для талых грунтов по СНиП 2.02.01-83 стр. 17, табл. 9. Для мерзлых грунтов по СНиП 2.02.04-88 стр. 31, табл. 4 Пример расчета.
Диаметр устройства: d=0,lM. Нормативная глубина промерзания Нnp=2,5 м.
Грунт верхних слоев: мелкий песок, сильнопучинистый. Удельная сила пучения (СНиП 2.02.01-83): ƒn=100кПа. Длина верхней части анкера: Нnp=2,5 м. Длина нижней части анкера: 1=7,5 м.
Среднюю величину сопротивления сдвигу по поверхности устройства на глубине 6,25 м по (СНиП 2.02.01-83, табл. 2 и 3 п. 2.81) как для мелких песков принимаем: ƒа=4,22 кПа. При этом расчетная сила выпучивания равна Тn=Нnp*Пd*ƒn=2,5*3,14*0,1*100=78,5 кН, а расчетная сила заанкеривания: Fa=la*П*d*ƒa=7,5*3,14*0,1*4,22=99,4 кН. Условие устойчивости с запасом 20% равно: Fa≥1,2 Тn=99,4>1,2*78,5=94,2 кН, т.е. условие устойчивости устройства выполняется.
Устройство работает следующим образом.
При промерзании окружающего грунта 1, за счет смерзания его с устройством, возникают касательные силы выпучивания, которые воздействуют на секции 3 и поднимают их вверх по направлению действия сил. Секции 3 в свою очередь передают усилия на подвижную нижнюю опорную плиту 8 и далее на силоизмерительное устройство 10, зафиксированное верхней опорной плитой 9 с помощью крепежных гаек 11 на кронштейнах 7. Нарастание сил морозного пучения и их влияние на секции 3 происходит постепенно при возникновении и проявлении отрицательных температур наружного воздуха. С увеличением отрицательных температур происходит промерзание грунта 1 по глубине. Возникшие при этом силы морозного пучения воздействуют на секции 3, которые скользят друг за другом по трубе 2 и воздействуют на нижнюю опорную плиту 8. По мерзлотомеру, установленному внутри трубы 2, определяют глубину промерзания грунта и фиксируют показания на силоизмерительном устройстве 10 для каждой секции 3. При этом фиксация значений усилий по площади боковой поверхности устройства в зоне промерзания позволяет определять средние (удельные) по глубине промерзания грунта величины касательных сил пучения на единицу площади поверхности. Максимальные значения этих сил за период наблюдений принимают за расчетную их величину для данного региона. По отметкам значений мерзлотомера определяется глубина промерзания и общее суммарное усилие выпучивания. При этом можно устанавливать зависимость глубины промерзания от значений наружной температуры воздуха, а также зависимость возникающих усилий морозного пучения и их действия на фундамент, скорость возникновения и нарастание этих усилий. По окончании зимнего периода времени и прекращения действия сил морозного пучения грунт вокруг устройства оседает, а секции 3 скользят вниз по трубе 2 и возвращаются в исходное положение.
По сравнению с прототипом, заявляемое устройство более экономично, так как менее металлоемко и проще в изготовлении. Кроме того, при промерзании грунта происходит послойное промораживание и воздействие сил пучения на секции, которые сразу же фиксируются силоизмерительным устройством. Так как высота секций ограничена, повышается точность и надежность измерений величин усилия. При этом нет необходимости определять и вычитывать из показаний силы трения, которая возникает на секциях больших размеров, частично находящихся вне мерзлой зоны.