книги / Механика мёрзлых грунтов (общая и прикладная)

СНиП Н-Б.6^66, а именно: коэффициенты теплопроводности Ам и

шей воды WH (последнее для объемной теплоемкости См' при тем­ пературе от —0,5 до —10° С).

Кроме того, при основных полевых инженерно-геокриологиче­ ских исследованиях определяются температуры деятельного слоя на разной глубине и температура толщи вечномерзлых грунтов, как минимум на глубине 10 м, т. е. —0о, необходимая для вычисления по СНиПу максимальной температуры на уровне подошвы фунда­ ментов 0щах и средней эквивалентной температуры 08 вечномерзлых грунтов по глубине части фундаментов или длине свай, заделанных в вечномерзлый грунт, для определения нормативного сопротив­ ления мерзлых грунтов сдвигу по поверхности смерзания фунда­ ментов с грунтом.

М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а грунтов (прочностные и деформативные) в полевых испытаниях определяются как для мерзлого их состояния, так и в процессе оттаивания и после полного оттаи­ вания (в талом состоянии). Методика определения расчетных по­ казателей напряженно-деформированного состояния мерзлых и от­ таивающих грунтов подробно рассматривалась в I части книги. Здесь мы перечислим основные показатели, которые необходима определить в полевых и лабораторных исследованиях.

Вмерзлом состоянии основными показателями будут:

1)длительная прочность при сжатии (определяется по методу

шарового штампа или на динамометрическом приборе) адл (см. гл. III, ч. I);

2) предельная величина эквивалентного сцепления сэ, опреде­ ленная по методу шаровой пробы, а по ней и нормативное расчет­

см2/кГ толщи грунтов на уровне подошвы фундаментов (и глубже, если сжимаемость мерзлых грунтов увеличивается), определенный методом испытания монолитов в нетеплопроводном одометре (см. рис. 106) или методом пробной нагрузки в шурфах;

4) в отдельных случаях определяются: а0" — коэффициент вто­ ричной относительной сжимаемости и б' — параметр ползучести экспоненциального ядра ползучести, или параметр Т — гиперболи­ ческого ядра ползучести (см. гл. III, § 5).

В оттаивающем состоянии для толщи грунтов ниже подошвы фундаментов определяются: параметры основного уравнения (VI.3) осадок мерзлых грунтов при оттаивании, а именно: коэффи­ циент оттаивания А и коэффициент уплотнения при оттаивании а, а также коэффициент консолидации ст (по средней величине коэф­ фициента уплотнения ат и коэффициента фильтрации km оттаива­

ющих грунтов — по уравнению VI.31), необходимый для прогноза протекания осадок во времени.

Коэффициент оттаивания А для особо ответственных случаев определяется методом пробной нагрузки в шурфах при послойном оттаивании и непосредственном загружении обогреваемого горя­ чим паром специального штампа размером не менее 50x50 см (по ранее разработанной технике испытания) *.

При оттаивании грунта на глубину, равную половине ширины штампа, определяют величину осадки оттаивания (без нагрузки)

ипо формуле (VII.4) вычисляют коэффициент оттаивания

А$ОТТ

ht

Величину коэффициента уплотнения а при оттаивании опреде­ ляют по осадке при первой ступени нагрузки (обычно 0,5— 1 кГ/см2— для дисперсных и 1—2 кГ1см2— для крупноскелетных грунтов) по формуле (VI.7)

где Д$ 1 — увеличение осадки под действием первой после оттаива­ ния нагрузки р\.

При одометрическом испытании двух идентичных монолитов мерзлого грунта величины А и а вычисляют по формулам (VI.5).

Кроме того, при этих испытаниях определяют и величину теп­ лового коэффициента

р,— ь _ .

V t

где ht — толщина слоя мерзлого грунта, равномерно (плоскопа­ раллельно) оттаивающего в нетеплопроводном одометре; t — вре­ мя полного оттаивания грунта в одометре на глубине ht (опреде­ ляется по термопарам).

Для оттаявших грунтов определяются: параметры предельного сопротивления сдвигу для состояния, приобретенного грунтом не­ посредственно после оттаивания, сотт, фотт, величина среднего ко­ эффициента фильтрации /гт , при этом сцепление, определяемое по методу шаровой пробы, для оттаявших грунтов должно соответст­ вовать предельно-длительному их сопротивлению, т. е. величине длит Сотт, а угол внутреннего трения ф0Тт — недренированному и не­ уплотненному состоянию грунта, определяемому методом быстрого сдвига.

По последним величинам оценивается несущая способность от­ таявших грунтов в наиболее опасном для устойчивости сооруже­ ний их физическом состоянии, 'когда они еще не успели уплотниться под нагрузкой.

В заключение настоящего параграфа укажем, что, конечно, от­ дельные определения тех или иных показателей свойств вечномерз­ лых грунтов в мерзлом и оттаивающем состояниях и их полевые испытания производятся по специально разработанной для данного места постройки программе полных испытаний и исследований с учетом как общих инженерно-геокриологических («мерзлотных») условий обследуемой территории, так и результатов рекогносциро­ вочных изысканий, а также конструктивных особенностей возводи­ мых сооружений и их эксплуатационно-теплового режима.

Во всяком случае, тепловые и особенно механические свойства вечномерзлых грунтов, залегающих непосредственно под подош­ вой фундаментов проектируемых сооружений, должны быть полно­ стью охарактеризованы с тем, чтобы правильно определить прин­ цип строительства и рассчитать в проектном задании и техническом проекте на прочность и устойчивость основания и фундаменты воз­ водимых сооружений.

В техническом отчете по инженерно-геокриологическим изыс­ каниям и исследованиям места постройки обобщаются все по­ лученные материалы и дается оценка особенностей различных уча­ стков обследуемой территории с точки зрения их использования как оснований и среды для возведения намеченных к строительст­ ву сооружений.

§ 4. Стационарные наблюдения на геокриологических станциях

При строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов необходимо проводить стационарные наблюдения за изме­ нениями температуры деятельного слоя и вечномерзлой толщи грун­ тов под влиянием обжитая местности, а также проявлениями на территории застройки криогенных процессов: интенсивности и не­ равномерности морозного пучения грунтов, выпучивания легких со­ оружений, возникновения и развития наледных процессов, проса­ док и термокарста, оползневых и солифлюкационных процессов на склонах и откосах и т. п.

Кроме общих изменений геокриологических условий застраива­ емой территории, обязательны стационарные наблюдения за изме­ нениями температурного режима грунтов в основаниях сооруже­ ний (и особенно, за глубиной протаивания грунтов под сооруже­ ниями), за осадками оснований и деформациями надфундаментных строений, за выпучиванием фундаментов (если оно имеет место) и другими проявлениями взаимодействия сооружений и толщи веч­ номерзлых грунтов.

Согласно п. 1.5 СНиП П-Б.6—66 «при крупных строительствах с генеральной сметой свыше 10 млн. руб. с самого начала изыска­ ний организуется геокриологическая станция», в обязанности кото­ рой и входит постановка и анализ результатов наблюдений за тех­ ническим состоянием возведенных сооружений и их взаимодейст­ вием с вечномерзлыми грунтами оснований.

Программа стационарных наблюдений «устанавливается (со­ гласно СНиП П-Б.6—66, п. 1.5) проектной организацией в зависи­ мости от назначения зданий или сооружений, их класса, конструк­ тивных особенностей, а также от грунтовых условий и принятого принципа использования грунтов в качестве оснований».

В программу стационарных геокриологических (мерзлотных) станций должны входить:

1)наблюдения за техническим состоянием (осадками, наруше­ ниями прочности, устойчивости и пр.) выстроенных сооружений и за изменениями местных (под сооружениями) и общих (на застраи­ ваемой территории) геокриологических условий;

2)учет опыта строительства как на вновь застраиваемой тер­ ритории с самого начала возведения сооружений, так и на сосед­ них, ранее застроенных площадках;

3)организация и осуществление опытного строительства по но­ вым наиболее прогрессивным проектным предложениям заказчи­ ка с обязательной постановкой тщательных наблюдений за темпе­

ратурным режимом вечномерзлых грунтов, осадками оснований и фундаментов и деформациями надфундаментных строений.

Следует отметить, что результаты наблюдений за объектами строительства только тогда могут быть использованы в дальнейшем проектировании, когда они сопровождаются данными исследова­ ний грунтов места постройки, 'главнейшими из которых будут: фи­ зические свойства грунтов и показатели их деформируемости в мерзлом и оттаивающем состояниях. Если в начале строительства такие данные отсутствуют, то в нрогра'мму работ стационарной гео­ криологической станции необходимо включить их обязательное оп­ ределение.

никами, а также Л. Н. Хрусталева и др.) более подробно освеща­ ется вопрос о температурной устойчивости как общей, так и ло­ кальной.

Рассматривая детально вопрос о температурной устойчивости толщи вечномерзлых грунтов, прежде всего отметим, что всякое обжитие местности существенно сказывается на изменении темпера­ турного режима вечномерзлых грунтов в результате сложнейшего взаимодействия многих факторов, главнейшими из которых будут:

хозяйственное освоение местности (нарушение мохового, снеж­ ного, кустарникового и других естественных покровов, вырубка ле­ са, сельскохозяйственное использование и пр. и пр.);

застройка территории с возведением тепловыделяющих зданий и сооружений, подземной прокладкой тепловых и водных комму­ никаций и пр. и пр.

Следуя Г. В. Порхаеву и В. К. Щелокову , а также Л. Н. Хру­ сталеву***, можно разделить многочисленные факторы, влияющие на температурный режим застраиваемых территорий, на три груп­ пы: общие, локальные и специфические. К общим факторам отно­ сятся составляющие внешнего теплового и влажностного обмена; к локальным — воздействия открытых водоемов, водотоков, раз­ личного рода зданий и сооружений (особенно с положительной температурой внутри помещений) и подземных коммуникаций (вод­ ных, тепловых и др.); к специфическим — гидрогеологические осо­ бенности (наличие межпластовых вод и т. п.), особый режим снеж­ ных отложений, минерализации грунтовых вод и др.

Все перечисленное обусловливает сложнейшее взаимодействие внешних факторов и температурного поля толщи вечномерзлых грунтов, причем в зависимости от общих геолого-географических и геокриологических особенностей района и благоприятных условий для развития некоторых специфических факторов результаты внеш­ них воздействий могут быть весьма различны. Так в большинстве случаев для районов с высокотемпературной толщей вечномерзлых грунтов обжитие местности ведет к ослаблению (деградации) веч­ номерзлой толщи и к опусканию верхней ее границы; в других же условиях, при наличии низкотемпературных вечномерзлых грунтов, наоборот, к усилению отрицательной температуры и к повышению (поднятию) верхней границы вечномерзлой толщи. Например, на­ блюдения в районе г. Воркуты показали, что верхняя граница веч­ номерзлых грунтов опускается, а температура их повышается.

Точно такое же явление наблюдается и в г. Игарке, и в ряде других мест южной зоны распространения вечномерзлых грунтов.

нение температурного режима грунтов при освоении территории». Изд-во «Нау­ ка», 1964.

** Теория и практика мерзлотоведения в строительстве. «Влияние застройки на температурный режим многолетнемерзлых грунтов», гл. II, под ред. Л. Н. X р у- с т а л е в а , Л. А. Б р а т ц е в а и В. Ф. Ж у к о в а . Изд-во «Наука», 1965.

ации в застроенных территориях (городах) но сравнению со сво­ бодной территорией (вследствие загрязнения слоя атмосферы над городами и поселками копотью, пылью и пр.); во-вторых, выделе­ нием тепла зданиями, промышленными установками и транспор­ том, что обусловливает повышение температуры в городах на ве­ личину порядка +0,5----- 1-1,5° С, а иногда и более; в-третьих, уве­ личением турбулентности воздушного потока в городах и поселках летом, вызванным неравномерным нагреванием отдельных частей зданий и сооружений; в-четвертых, меньшим испарением влаги в застроенных территориях по сравнению с незастроенными и, нако­ нец, наличием подземных непроветриваемых тепловых коммуни­

каций.

В некоторых местах северной и центральной зон распростране­ ния вечномерзлых грунтов в определенных условиях (при отсутст­ вии движения грунтовых вод и значительном уплотнении или сня­ тии верхнего теплоизолирующего слоя почвы — мохо-торфяного, снегового и пр.) наблюдается поднятие верхней поверхности веч­ номерзлых грунтов и понижение их температуры на глубине нуле­ вых теплооборотов (по данным, например П. А. Соловьева, темпе­ ратура грунта в Якутске на глубине 10 м за 300 лет понизилась от —2 до —6°С), что является результатом сложного теплового взаимодействия многих факторов, в том числе увеличения мощно­ сти и увлажненности верхнего насыпного, так называемого куль­ турного слоя грунта, уменьшения теплоизолирующих свойств по­ верхностных слоев (мохового, снежного и пр.); изменения гидро­ геологических условий и т. п.

Для практики весьма важно установить как общее направление криогенного процесса на застраиваемой территории (будет ли иметь место его усиление, или наоборот, деградация и постепенное по­ тепление вечномерзлых грунтов с их протаиванием), так и дина­ мику изменения температуры мерзлых толщ во все время сущест­ вования сооружений, так как от величины отрицательной темпера­ туры мерзлых грунтов в высокой степени будут зависеть все проч­ ностные и деформативные характеристики мерзлых грунтов, по ве­ личине которых производятся расчеты на прочность и устойчивость возводимых на них сооружений.

На температурный режим грунтов застраиваемой территории оказывают влияние не только первоначальные геокриологические условия и степень предпостроечной подготовки территории с по­ следующим ее благоустройством, но также и общая плотность за­ стройки, особенно при значительной ее величине (примерно боль­ шей 30—40%), и наличие локальных сосредоточенных источников тепла с высокой температурой (горячие цехи промышленных пред­ приятий с большим количеством отработанной воды, бани, прачеч­ ные и особенно прокладка подземных водных коммуникаций при отсутствии их вентиляции).

Как пример, на рис. 124 приведены кривые изменения тепло­ содержания в грунте на территории застройки в районе Воркуты (при мощности слоя вечномерзлых грунтов в 80 ж и начальной тем­

температурного поля толщи вечномерзлых грунтов на застраива­ емой территории является изменение температуры грунта в слое годовых нулевых амплитуд — 6о, т. е. примерно на глубине 10 м от поверхности.

Величина —0о, характерная для температурного режима толщи вечномерзлых грунтов, по исследованиям Г. В. Порхаева *, опре­ деляется с учетом составляющих теплового баланса грунта:

Т — период времени, равный 1 году; й в.э и й в.л — суммы среднеме­

коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунтов; А/ и hc" — мощности снежного покрова при промерзании и после про­ мерзания грунта; W — влажность грунта; аи — коэффициент тем­ пературопроводности мерзлого грунта; Кс' и %с" — коэффициенты теплопроводности снега при промерзании и после промерзания грунта.

Конечно, определение всех составляющих теплового баланса поверхности грунта — метеорологических, радиационных, мощно­ сти снегового покрова, тепловых и физических свойств снега и грунта в талом и мерзлом состоянии представляет значительные трудности и может быть выполнено лишь с той или иной степенью приближения, что осложняет применение формулы (VIII.1) на практике, особенно, если учесть, что для достоверности получаемых результатов необходимо пользоваться средними многолетними данными.