СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПЛАСТИЧНО-МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И ФУНДАМЕНТ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD TO INCREASE STRENGTH OF PLASTIC FROZEN SOILS AND FOUNDATION FOR METHOD REALISATION

Изобретение относится к области строительства сооружений в районах широкого распространения пластично-мерзлых грунтов, в том числе - засоленных.
Известно, что прочность мерзлых грунтов возрастает с понижением их температуры [Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973, 447 с.]. На этом основаны известные способы повышения их прочности.
Известен и широко применяется способ повышения прочности пластично-мерзлых грунтов оснований фундаментов сооружений охлаждением их через скважины путем продувки холодным воздухом или применением охлаждающих устройств [Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов, Л.: Стройиздат, 1978, с.135-137].
Недостатком этого способа является его недостаточная надежность и высокая стоимость. Это связано с ограниченной холодопроизводительностью существующих охлаждающих устройств, которые не позволяют достичь достаточно низкой температуры грунтов, обеспечивающей необходимое значение их прочности в течение всего срока эксплуатации сооружений. Часто при проектировании разработки и обустройстве месторождений часть объектов переносят в более благоприятные грунтовые условия, что приводит к значительному удорожанию строительства в целом в силу увеличения протяженности коммуникаций и удорожания изыскательских работ.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является разработка более надежного и более дешевого способа повышения прочности пластично-мерзлых грунтов оснований фундаментов.
Предлагаемый способ основан на известном свойстве мерзлых пород: помимо понижения температуры их прочность возрастает с увеличением содержащейся в нем объемной доли минеральной компоненты или, что то же самое, с уменьшением объемной доли льда, то есть льдистости грунта [Дерюгин А.Г., Калинина Г.Н., Лобашов В.М. О прочности ледяных композитных материалов. Проблемы инженерной гляциологии. Новосибирск, Наука, 1986, с.135-139; Андерсленд О.Б., Сэйлс Ф.А., Ладаний Б.Л. Механические свойства мерзлых грунтов, Геотехнические вопросы освоения Севера. М.: Недра, 1983, с.217-272].
В известном способе при охлаждении оснований фундаментов для повышения их прочности домораживание жидкой фазы воды происходит в условиях, близких к условиям закрытой системы (в силу наличия напластований из мерзлых тел и глинистых образований), при этом вода увеличивает свой объем в результате перехода в лед и фиксируется вблизи исходного расположения в твердом состоянии. В этом случае в сравнении с пористостью исходного мерзлого грунта пористость охлажденного мерзлого грунта (а с ней и объемное льдосодержание) возрастает. При этом фактически происходит объемное распучивание грунта с частичным ослаблением и разрывом связей между частицами скелета грунта. За счет этого повышение пористости может достигать 6-7% и может приводить к снижению прочности основания в 2-3 раза. Для компенсации этого эффекта необходимо существенное снижение температуры грунта, которое не всегда достижимо обычными методами.
Поставленная перед изобретением задача достигается тем, что при повышении прочности находящихся под фундаментом пластично-мерзлых грунтов, включающем их охлаждение через установленные в скважины сваи, дополнительно, например через дренажные трубы (трубопроводы), оттесняют за пределы объема промораживаемого грунта избыток раствора, возникающий при промораживании грунта.
Авторами установлено, что промораживание грунта может быть осуществлено с сохранением его исходной пористости (т.е. с обеспечением минимального объемного льдосодержания в грунте). Для этого необходимо обеспечить оттеснение избытка объема воды, возникающего вследствие расширения льда при его образовании, за пределы объема промораживаемого грунта. Это может быть обеспечено специальными ограничителями деформации поверхности грунта и использованием дренажных устройств.
Известен фундамент повышенной прочности для пластично-мерзлых грунтов, содержащий полые металлические сваи с охлаждающими устройствами [Ю.О.Таргулян. Устройство свайных фундаментов. Л.: Стройиздат, 1978, с.135-137].
Для обеспечения решения технической задачи, стоящей перед изобретением, фундамент дополнительно снабжен фундаментной плитой и заглубленными в грунт дренажными трубами, а длина свай определяется расчетами по фильтрационным и прочностным характеристикам мерзлого грунта из условий отсутствия деформаций фундаментной плиты и полного поглощения дренажным устройством оттесняемого при промораживании грунта основания фундамента избытка порового раствора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема фундамента с вертикальной дренажной трубой; на фиг.2 - с горизонтальной дренажной трубой; на фиг.3 - график деформаций модели сваи для грунта, промерзшего без оттеснения раствора; на фиг.4 - график деформаций модели сваи для грунта, полученного при оттеснении избытка раствора.
Фундаменты, в которых реализован предложенный способ повышения прочности пластично-мерзлых грунтов, выглядят следующим образом.
Фундамент содержит одну или несколько фундаментных плит 1, уложенных на мерзлый грунт. По углам каждой плиты расположены полые сваи 2, жестко связанные с плитой. Внутри свай размещены охлаждающие устройства 3 сезонного действия. В случае необходимости по периметру плиты могут быть установлены дополнительные охлаждающие устройства 4.
Фундаменты оборудованы приспособлениями для дренажа. Это могут быть вертикальные дренажные трубы 5 (скважины) или трубопроводы 6, проложенные горизонтально или с наклоном при помощи технологии наклонного бурения и пересекающие на определенной глубине контуры фундаментной площадки в плане.
В варианте, показанном на фиг 1, фундаментная плита 1 укладывается на выровненную поверхность грунта. В точках, прилегающих к ее углам, бурятся скважины и в них любым известным способом устанавливаются полые металлические сваи 2. Жесткость связи плиты со сваями обеспечивается сваркой закладных деталей плиты с корпусом свай. Далее встык к первой укладывается вторая плита, бурятся дополнительные скважины и устанавливаются две дополнительные сваи 2. После этого осуществляется сварка закладных деталей с двумя существующими и двумя дополнительными сваями. Таким образом, последовательно покрывается вся площадь контура фундаментной площадки. После этого в центре определенного числа плит (не во всех - определяется расчетом) через специально запроектированное и выполненное в заводских условиях отверстие бурятся скважины и устанавливаются вертикальные дренажные трубы 5. Далее в полостях свай устанавливаются сезонно действующие охлаждающие устройства 3 с выводом их конденсаторных частей за пределы корпуса свай [Таргулян Ю.О. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1978, 158 с.], либо, при выполнении соответствующих условий, оставляя их внутри корпуса свай [авторское свидетельство СССР №1558062, 1989]. Дополнительные охлаждающие устройства 4 могут быть установлены после установки свай и дренажной скважины путем бурения дополнительных скважин малого диаметра через технологический зазор между плитами.
В варианте, показанном на фиг.2, целесообразно, в первую очередь, выполнить строительство горизонтальной или наклонной дренажной трубы (трубопровода) 6, после чего осуществляется установка плит, свай и охлаждающих устройств в той же последовательности, что и для первого варианта.
Стенки дренажных труб в обоих вариантах должны быть проницаемыми (отперфорированы или выполнены из специального керамического материала). По всей длине дренажные трубы должны быть оборудованы греющим кабелем для предотвращения их перемерзания, а на выходном участке - насосом для откачки жидкости. Полость дренажных труб должна быть заполнена крупноскелетным материалом (песком). Глубина заложения дренажных устройств должна быть больше глубины заложения свай.
Основное предназначение плит и жестко связанных с ними свай состоит в предотвращении вертикальных деформаций пучения поверхности грунта в период зимнего промерзания основания. Только в этом случае можно обеспечить необходимое оттеснение избытка жидкости в дренажные системы, сохраняя пониженную льдистость основания. При промерзании грунта основная нагрузка действует на плиты в направлении вверх (нормальные силы пучения), которая передается на сваи, работающие в этот период как анкеры. Предотвратить вертикальную деформацию плит можно только при определенной длине свай, которая устанавливается расчетом. Для расчета необходимой длины свай необходимо в первую очередь установить нагрузку на плиту, действующую в период промерзания основания. Она будет зависеть от гидропроводности той части грунта основания, которая еще не подверглась домораживанию. Оценку этой величины можно провести упрощенным способом. Сделаем это для варианта, включающего вертикальную дренажную трубу (скважину). Скважина поглощает поток влаги, который отторгается при промерзании грунта, как с его поверхности, так и с боковой поверхности охлаждающих устройств.
Оценки показывают, что поток жидкости, поступающий от боковых поверхностей охлаждающих устройств, на порядок превосходит поток от дневной поверхности. По этой причине последней величиной можно пренебречь и считать, что весь объем жидкости оттесняется от боковых поверхностей охлаждающих устройств к дренажному устройству и оценивается по формуле:
R
где: l - длина сваи; ν - скорость потока оттесняемой жидкости на фронте промерзания с боковой поверхности охлаждающих устройств; R - некоторое усредненное (эффективное) расстояние от оси дренажной скважины до охлаждающих устройств.
R
R
С другой стороны, этот же поток обеспечивается действующими давлениями на контуре питания Р и внутри дренажной скважины (радиуса а) Р и может быть вычислен как для талых грунтов по формуле [Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977, 664 с.]:
ƒ
u
0
где ρ, g - плотность перового раствора и ускорение свободного падения; k - коэффициент фильтрации мерзлого грунта, который может быть установлен экспериментально либо с помощью эмпирической зависимости от коэффициента фильтрации исходного грунта в талом состоянии k и относительного содержания незамерзшей воды при исходной (до замораживания) температуре мерзлого грунта t [Koopmans R.W.R., Miller R.D. Soil freezing and soil water characteristic curves // Soil Sci. Soc. Proc., 1966, 30 pp.680-685], см. также [Горелик Я.Б., Колунин B.C. Физика и моделирование криогенных процессов в литосфере, Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2002, 318 с.]:
0
0
где w(t) - весовое содержание незамерзшей воды в грунте с температурой t;
0
w - весовое содержание воды в исходном талом грунте.
f
R
Очень сильная зависимость величины k от содержания незамерзшей воды (и температуры) позволяет выделить в данной системе фронт промерзания. При этом скорость потока ν в формуле (1) будет совпадать со скоростью движения этого фронта.
Приравнивая правые части соотношений (1) и (2), получим выражение для давления в жидкости на фронте промерзания:
Такое же давление будет действовать и на горизонтальном участке поверхности фронта промерзания под плитой (который продвигается от дневной поверхности), стремясь вызвать смещение плиты вверх. Препятствием этому смещению являются силы смерзания по боковой поверхности свай с мерзлым грунтом. Для предотвращения смещения плиты необходимо выполнение баланса сил:
b
где b, c - радиус сваи и удельные силы смерзания грунта с боковой поверхностью сваи; S - площадь поверхности фундаментной плиты в плане. Из последнего уравнения определяется необходимая длина сваи, обеспечивающая устойчивость конструкции в период промерзания:
b
Из соотношения (6) видно, что длина свай, обеспечивающих устойчивость конструкции, обратно пропорциональна прочностному показателю грунта (параметру с). Даже полуторакратное увеличение этого показателя кратно снижает трудоемкость работ и повышает экономичность возведения фундамента. Отметим также, что несущая способность предлагаемой конструкции на действие нагрузок от сооружения будет также существенно выше, чем для обычного свайного фундамента, поскольку эти нагрузки распределяются не только на сваи, но и на связанные с ними плиты.
a
R
f
u
b
5
-8
-9
-6
2
5
В качестве примера расчета по формулам (4) и (6) примем следующие исходные данные: давление в дренажной скважине близко к атмосферному Р=10  Па; R=l м: a=0,1 м; ν=10 м/с; k=10 м/с (k=10 м/с); S=6 м; b-0,1 м; c=2·10 Па [Цытович НА. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1973, 446 с.].
R
b
b
3
5
Получаем: P=3,3·10 Па, а l=15,75 м. Прочность смерзания c в приведенном примере взята для супесчаных грунтов при температуре минус 2°С. Если путем применения предлагаемого способа прочность смерзания возрастет в 1, 5 раза и достигнет значения c=3·10 Па, то требуемая длина свай снизится до значения 10,5 м, что является весьма существенным результатом.
Предлагаемый способ упрочнения проверен в лабораторных условиях на специальном устройстве, которое включает толстостенный металлический сосуд цилиндрической формы (внешний диаметр - 185, толщина стенки 15 и высота 180 мм). По центральной оси сосуда на его дно установлена и закреплена вертикально дренажная трубка. Полость сосуда с дренажной трубкой заполняется полностью водонасыщенным грунтом примерно на 2/3 его высоты). В экспериментах использовался засоленный грунт с концентрацией порового раствора 20 г/л и температурой начала замерзания минус 1,6°С. На поверхность грунта укладывается металлическая крышка диаметром, на доли миллиметра меньшим, чем внутренний диаметр сосуда. Сосуд имеет фиксаторы, которые могут удерживать крышку в определенном положении внутри сосуда, чем задается стандартное для всех экспериментов начальное уплотнение грунта. Крышка имеет отверстия: центральное - под дренажную трубку, меньшего диаметра - для фиксаторов (4 шт.) и одно диаметром 8 мм - для модели сваи (металлического стержня), испытания которой проводятся при действии нагрузки для грунтов, приготовленных разными способами. К верхней торцевой поверхности сосуда по его диаметру с помощью болтов жестко крепится металлическая балка квадратного сечения (10×10 мм). С помощью балки дренажная трубка фиксируется в осевом положении внутри сосуда. Балка также используется для монтажа электрического датчика деформации модели сваи, показания с которого непрерывно регистрируются компьютером. Кроме того, дополнительное отверстие, просверленное в теле балки соосно с отверстием в крышке под модель сваи, центрирует последнюю в вертикальной плоскости. В верхней части модели сваи в горизонтальной плоскости закреплена металлическая площадка для укладки пригрузов.
После заполнения сосуда грунтом и предварительного (стандартного) уплотнения с помощью крышки и фиксаторов его теплоизолируют по боковой поверхности листами поролона и устанавливают в холодильную камеру для замораживания при средней температуре в камере минус 12°С. В верхней части дренажной трубки намотана спираль нагревателя, которая включается в момент начала промораживания грунта и предотвращает оттесняемый раствор от замерзания. Мощность нагревателя составляет около 6 ватт. При фиксированном положении крышки и высокой жесткости и прочности материала стенок сосуда и крышки промораживание грунта может происходить только с полным оттеснением избытка объема порового раствора внутрь дренажной трубки и сохранением первоначальной пористости грунта, что обеспечивает минимально возможное значение его льдистости при заданных условиях промерзания.
В альтернативном варианте проведения опытов вместо дренажной трубки устанавливалась металлическая трубка эквивалентного диаметра с глухими боковыми стенками. После заполнения системы раствором и стандартного уплотнения грунта фиксаторы убирались, так что крышка могла свободно перемещаться в вертикальном направлении. Далее сосуд также теплоизолируется по боковой поверхности и ставится на замораживание в холодильную камеру. В таких условиях при замораживании грунта происходит его объемное распучивание с достижением максимальной льдистости в закрытой системе, поскольку обеспечивается свободное перемещение крышки вверх.
После полного промораживания грунта в любом из описанных выше вариантов (которое продолжалось около суток и контролировалось ртутными термометрами на контакте внешней стенки сосуда и слоя теплоизоляции) температура в камере повышалась до минус 2,5°С, при этой температуре грунт выстаивался сутки. Затем через соосные отверстия в балке и крышке непосредственно на поверхность мерзлого грунта устанавливалась стержневая модель сваи. После этого подключался датчик деформации и начинались испытания модели сваи ступенчатыми нагрузками. Фиксаторы крышки при этом отсутствовали в любом из испытаний, а крышка могла свободно перемещаться в вертикальном направлении. На фиг.3 показан график деформаций модели сваи для грунта, промерзшего без оттеснения раствора в дренажную трубку (максимальная льдистость). Деформация модели для грунта, полученного при оттеснении избытка раствора в дренажную трубку (минимальная льдистость) показана на фиг.4. На графиках фиг.3 и фиг 4 по оси ординат буквой А обозначено абсолютное значение положения одной из точек модели сваи, с которой жестко связан датчик деформаций. Начальное положение этой точки выбиралось произвольно и не влияет на результаты опытов. По оси абсцисс на этих графиках буквой τ обозначено время (в секундах) с момента включения датчика деформаций. Автоматический опрос датчика проводился один раз за 10 секунд, так что цифра 100, например, по оси абсцисс означает 1000 секунд. Стрелки над графиками показывают моменты приложения ступеней нагрузки, а цифры над стрелками - абсолютное значение нагрузки в килограммах.
Из сравнения последних двух графиков видно, что внедрение модели сваи в мерзлый грунт, полученный без возможности оттеснения раствора за пределы его объема в процессе промерзания, заканчивается гораздо быстрее и при существенно меньших нагрузках, чем в случае, когда в процессе его промерзания избыток раствора оттесняется в дренажную трубку (и имеет меньшую объемную льдистость). Этот результат является главным в проведенных лабораторных исследованиях.
Для уточнения прочностных показателей мерзлого грунта, полученного двумя описанными выше альтернативными способами, было определено предельно длительное сцепление таких грунтов методом шарикового штампа. Определенное таким образом сцепление для грунта с меньшей объемной льдистостью (полученного с возможностью оттеснения избытка раствора) оказалось выше, чем в альтернативном случае, не менее, чем в 1,5-1,8 раза.