ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Прове­дена серия опытов по испытанию многолетнемерзлых грунтов основания статической нагрузкой на сваю с моделированием оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания сваи во время эксплуатации сооружения.

При проведении экспериментальных исследований осуществлялось оттаивание многолетнемерзлых грунтов вокруг опытной сваи в радиусе 1.8-3 м (6-10 размеров поперечного сечения сваи). Глубина оттаивания электронагревателями многолетнемерзлых грунтов ниже острия опытных свай при проведении натурных экспериментов составляла 5-7 м. В некоторых случаях, диктуемых мерзлотно-грунтовыми условиями исследуемой площадки, глубина электрооттаивания грунтов достигала 7-10 м.

В большинстве проведенных опытов активная глубина оттаивания грунтов под острием свай находилась в пределах 5-7 м. Продвижение ореола оттаивания ниже указанных глубин незначительно сказывалось на процессе взаимодействия сваи с оттаивающим грунтом, что свидетельствовало о том, что грунты, залегающие ниже указан­ных глубин, характеризуются низкой сжимаемостью при оттаива­нии. Установлено, что оптимальное значение радиуса зоны из оттаивающего вокруг сваи грунта находит­ся в пределах от 6 до 10d, глубина оттаивания - на 5-7 м ниже острия сваи.

При проведении экспериментов использо­вался электрический способ оттаивания многолетнемерзлых грунтов. Выбор именно этого способа оттаивания многолетнемерзлых грунтов вокруг опытных свай был продиктован доступностью в техни­ческом отношении, а также возможностью моделирования проце­сса постепенного оттаивания многолетнемерзлых грунтов сверху вниз около опытных свай, происходящего во время эксплуатации от­тапливаемых зданий и сооружений. Для осуществления электрооттаивания многолетнемерзлых грун­тов вокруг опытной сваи, на расстоянии 1.5-2.0 м от её оси, на одинаковом расстоянии друг от друга оборудовались три термических скважины диаметром 80-108 мм.

При проведении опытных работ по оттаиваниюмноголетне мерзлых грунтов осуществлялись исследования с целью выбора наиболее эффективной конструкции и режима работы электронагревателей. Для этой цели использовались различные типы электронагревателей.

Нагреватели с сухим режимом работы обеспечивали в 2-3 раза большую скорость оттаивания многолетнемерзлых грунтов по сравнению с нагревателем-кипятильником. Так как нагреватели с сухим режимом работы имеют высокую температуру на поверхности (250-500°С), то при непрерывной работе нагревателей может произойти перегрев и иссушение гру­нта. Этого, конечно, нельзя допускать, так как последнее резко снижает достоверность результатов определения несущей спо­собности оттаивающих грунтов основания сваи. Если во время опытов произойдет значительное снижение влажности грунта, ок­ружающего опытную сваю по сравнению с природной, то, очевид­но, несущая способность грунтов основания сваи, определенная по результатам статических испытаний, будет существенно завышена.

Для того чтобы названных негативных моментов не возникало, был выбран соответствующий режим работы электронагревателей. Оттаивание многолетнемерзлых грун­тов велось циклично, чередовались циклы работы электронагре­вателей с циклами их отключения. Второй цикл принято называть циклом термосного выдерживания. Оттаивание многолетнемерзлых гру­нтов велось по схеме четыре часа нагрева, два часа термос­ного выдерживания (4-2).

Были апробированы и другие схемы оттаивания, например, 12-6, 10-6, 8-4, но лучше всего себя зарекомендовала первая схема (4-2). При этой схеме практически не происходило пере­грева и иссушения многолетнемерзлого грунта, за исключением 10-сантиметровой зоны грунта, непосредственно примыкающей к термической скважине. Исследование температурно-влажностного режима оттаивающих грунтов выполнялось путем наблюдения за температурой оттаивающих грунтов в специальных термометрических скважинах и лабораторного анализа проб от­таивающих грунтов.

Перегрева грунта при цикличном режиме оттаивания по схеме 4-2 не наблюдается. Сопоставление кривых распределения влажностимноголетне мерзлого и оттаиваемого грунта позволило установить, что на расстоянии 0.5 м от нагревателя уменьшение влажности оттаянного грунта по сравнению с природной влажностью имеет место, но по величине оно весьма незначительно (0.014) и по­этому им можно пренебречь. По мере удаления от нагревателя на расстояние более 0.5 м наблюдается обратная тенденция, влажность оттаянного грунта превышает природную влажность многолетне мерзлого грунта. Это можно объяснить процессом инфильтрации влаги из верхних горизонтов оттаянного грунта. Представленные экспериментальные данные позволяют утверждать, что использование нагревателей, с сухим режимом работы по схеме 4-2 правомерно.

При проведении опытов осуществля­лось моделирование оттаиваниямноголетне мерзлых грунтов оснований свай в процессе эксплуатации зданий и сооружений. Для этой цели электронагреватели устанавливались в термических скважинах в крайнее верхнее положение. Вначале оттаивались верхние слои многолетне мерзлых грунтов. По мере оттаивания верхних слоев грунта нагреватели опускались вниз. Фактически происходило послойное оттаивание многолетне мерзлых грунтов сверху вниз. При этом толщина отдельных слоев оттаянного грунта составляла 1.5-2.5 м. Средняя скорость радиального оттаивания многолетне мерзлых грунтов в опытах была различной. Она зависит от вида грунта, его льдонасыщенности, от мощности электронагревателя. При проведении опытов она колебалась от 12.5 до 22.7 см/сут. Удельный расход электроэнергии также зависит от названных факторов. В опытах он составлял 23.4-45.5 кВт.ч/м ³.

Испытаниям статической и динамической нагрузкой подвергались стандартные сборные железобетонные призматические сваи квадратного сечения 30ґ30, 35ґ35 см, длиной 6-16 м. Сваи погружались в предварительно пробуренные скважины диаметром 0.35-0.5 м, глубиной 4.0-15.0 м с последущей забивкой дизель-молотом в грунт ниже забоя скважины на глубину 0.5-4.1 м.

Бурение выполнялось установками шнекового бурения БТС-2, БМ-802С, СО-2, установками ударно-канатного бурения УКС-22М. Забивка свай производилась дизель-молотами С-996С, С-1047, УР-1250,YDH-40А. Для загрузки свай применялась грузовая платформа распорного типа, выполненная из двутавра № 60 и балласта из бетонных блоков и железобетонных плит. Передача вертикального статического вдавливающего усилия от установки распорного типа на сваю выполнялась при помощи гидравлических домкратов.

Измерение вертикальных и горизонтальных перемещений сваи выполнялось прогибомерами конструкции Аистова. Для наблюдения за осадками уплотняющегося при оттаива­ниимноголетне мерзлого грунта, окружающего опытные сваи, устанав­ливались поверхностные и глубинные марки. Измерение вертикальных перемещений марок выполнялось методом геометрического нивелирования, а также с помощью прогибомеров.

Методика проведения испытаний свай статической нагрузкой в оттаивающихмноголетне мерзлых грунтах значительно отличается от аналогичной методики для немерзлых грунтов. Связано это с тем, что работа свай в оттаивающих грунтах имеет осо­бенности, обусловленные изменениям свойств грунтов при пере­ходе их из мерзлого состояния в талое.

При оттаиваниимноголетне мерзлых грунтов происходит их разуп­рочнение, но со временем оттаявшие грунты быстро уплотняются и повышают свою прочность. Сопротивление сдвигу оттаявшего грунта на 10-40% ниже, чем талого при одинаковой влажности. Уменьшение сопротивление сдвигу при оттаивании грунта происходит главным образом за счет уменьшения сцепления. Внутреннее трение в грунте после его оттаивания, мало изменя­ется и в некоторых случаях даже несколько увеличивается.

На свайные фундаменты зданий сооружений, построенных намноголетне мерзлых грунтах оттаивающих в процессе эксплуатации, дей­ствуют силы так называемого негативного (отрицательного) трения. Силы негативного трения развиваются на боковой поверхности сваи при перемещении уплотняющегося при оттаивании грунта вниз относительно ствола сваи. Несущая способность основания сваи при этом пони­жается. Величина удельных сил негативного трения зависит от вида грунта окружающего сваю, его физико-механических характеристик, глубины залегания рассматриваемого слоя грунта от поверхности земли, шероховатости боковой поверхности сваи, техноло­гии устройства сваи, других факторов и изменяется во времени.

Было апробировано три методики. Согласно первой методике испытание сваи проводилось в три этапа. На первом этапе свая, погруженная вмноголетне мерзлый грунт, испытывалась ступенями по 50-100 кН, суммарная нагрузка на сваю составляла 250-660 кН. Испытание на этом этапе проводилось в соответствии с ГОСТ 24546-81 . При условной стабилизации осадки сваи под нагрузкой приступали ко второму этапу испытаний.

На втором этапе испытаний выполнялось постепенное, послой­ное оттаивание сверху внизмноголетне мерзлого грунта вокруг сваи в зоне радиусом 6-10d(d- сторона поперечного сечения сваи) на глубину 5-7 м ниже острия сваи. Нагрузка на сваю во время всего этапа поддерживалась постоянной и составляла 250-660 кН. После того, как вокруг сваи образовывалась зона заданных разме­ров из оттаявшего грунта и осадка сваи под постоянной нагруз­кой условно стабилизировалась, переходили к третьему этапу испытаний.

На третьем этапе испытаний производилась дальнейшая за­грузка сваи, находящейся в оттаявшем грунте, ступенями по 50-100 кН до максимальной величины нагрузки 500-1540 кН, устанавливаемой программой испытаний. Испытание на данном этапе ве­лось согласно ГОСТ5676-78 .

Во второй методике испытание расчленялось на два этапа. На первом этапе к свае прикладывалась нагрузка в 100 кН и начиналось постепенное, послойное оттаивание многолетнемерзлого гру­нта сверху вниз. Во время всего этапа испытаний нагрузка на сваю поддерживалась постоянной. По окончанию оттаивания грун­та в зоне заданных размеров и условной стабилизации осадки сваи под постоянной нагрузкой приступали ко второму этапу испытаний.

На втором этапе свая испытывалась в оттаявшем грунте ступенями нагрузки по 50-100 кН до максимальной величины нагрузки, устанавливаемой программой испытаний.

Анализ первой и второй методики, результатов опытов, про­веденных с их применением, позволил выявить в них ряд недостатков. В первой методике к таковым можно отнести то, что при­ходятся проводить имеющий большую продолжительность (до 20 су­ток) первый этап испытаний сваи вмноголетне мерзлых грунтах, деформируемость которых на порядок ниже деформируемости оттаивающих и оттаявших грунтов.

Занимая много времени, первый этап испытаний дает резу­льтаты, практически очень мало влияющие на конечные результа­ты статических испытаний сваи. Поэтому, вероятно, можно ограничить продолжительность первого этапа испытаний без сущест­венного снижения точности конечных результатов испытаний.

Во второй методике к недостаткам следует отнести то, что на первом этапе испытаний (в оттаивающем грунте) прикладыва­ется очень небольшая нагрузка (100 кН), которая во много раз меньше реальных нагрузок, действующих на сваи, входящие в состав фундаментов зданий и сооружений, построенных по прин­ципуII, с допущением оттаиваниямноголетне мерзлых грунтов во вре­мя эксплуатации. Указанное несоответствие значительно снижа­ет достоверность определения несущей способности основания.

В момент оттаивания многолетнемерзлого грунта его прочность значительно снижается. Причем, от величины нагрузки, воспринимаемой многолетнемерзлым грунтом основания сваи в момент его оттаивания зависит, каким образом будет протекать процесс взаимодействия сваи с оттаивающим грунтом основания. При небольшой величине нагрузки, передаваемой сва­ей на оттаивающий грунт основания, в нем будет протекать про­цесс постепенного уплотнения и упрочнения без какой-либо по­тери несущей способности грунта основания.

При нагрузках, превышающих некоторый предел в оттаивающем грунте основания сваи, под ее нижним концом, начинают преобладать боковые смещения частиц, формируются непрерывные поверхности скольжения, в результате чего грунт теряет устой­чивость. Потеря устойчивости основания сопровождается срывом сваи, приводящим к большим её осадкам. Поэтому очень важно, чтобы нагрузка на сваю во время оттаивания многолетне мерзлого грунта вокруг неё не превысила предельную величину. В противном случае во время испытания произойдет срыв сваи, и точно установить несущую способность основания сваи в оттаи­вающем грунте не представится возможным.

Величина нагрузки, при которой происходит срыв сваи в оттаивающем грунте основания, зависит от мерзлотно-грунтовых условий исследуемой площадки, типа, размеров сваи и других факторов. По результатам испытаний оснований забивных приз­матических свай сечением 30ґ30 см, с глубиной погружения 6-9 м в оттаивающих многолетнемерзлых грунтах получены осредненные значения нагрузок, при которых происходит срыв сваи.

Так как во второй методике на первом этапе испытаний в оттаивающих грунтах к свае прикладывалась нагрузка всего 100 кН, то взаимодействие сваи с оттаивающиммноголетне мерзлым грун­том протекало в более благоприятных условиях по сравнению с реальными условиями, то есть под невысокой нагрузкой посте­пенно уплотнялся, увеличивая свою прочность. На втором же этапе испытаниям ступенчатой нагрузкой на сваю подвергался уже оттаявший, в значительной степени уплотненный, более прочный грунт. Вследствие этого вторая методика в большинстве случаев способствовала значительному завышению несущей спосо­бности основания сваи в оттаивающих грунтах.

Третья методика разработана автором. В этой методике сделана попытка устранить недостатки, отмеченные в двух первых методиках. Третьей методикой предусмотрено проведения испытаний в два этапа. На первом этапе к свае прикладывается нагрузка Р_I, величина которой назначается в зависимости от вида грунта, залегающего под нижним концом сваи по табл.

Нагрузка прикладывается тремя ступенями. Первая ступень прикладывается равной 0.5P _I. Две последующие ступени нагрузки по 0.25P _Iприкладываются с интервалом в одни сутки. Таким образом, загружение осуществляется по схе­ме 0.5P _I+ 0.25P _I+ 0.25P _Iв течение двух суток. Одновре­менно с загружением сваи первой степенью нагрузки 0.5P _Iна­чинается постепенное, послойное (слоями толщиной 1-1.5 м), сверку вниз оттаиваниемноголетне мерзлых грунтов вокруг сваи в радиусе 6-10dна расчетную глубину. Глубина оттаиваниямноголетне мерзлых грунтов назначается равной расчетной глубине оттаи­вания грунтов под зданием или сооружением за расчетный период эксплуатации.

По окончании формирования зоны заданных размеров из от­таявшего грунта вокруг сваи и условной стабилизации осадки сваи под нагрузкойP _Iприступают ко второму этапу испытаний. Перед тем, как приступить ко второму этапу испытаний, необхо­димо по данным гидрогеологического прогноза установить вероятность появления во время эксплуатации зданий или сооруже­ний в оттаявшем грунте основания грунтовых вод, поднятия их уровня. Если согласно прогнозу появление грунтовых вод воз­можно, то перед проведением второго этапа испытания сваи не­обходимо произвести замачивание грунта в цилиндрическом талике, нагрузку на сваю при этом необходимо поддерживать постоянной, равнойP _I.

По окончанию замачивания грунта основания и условной стабилизации осадки сваи под нагрузкойP _Iприступают ко вто­рому этапу испытаний. На втором этапе испытаний в оттаявшем грунте к свае прикладывают ступени нагрузки по 50-100 кН. Значение суммарной нагрузки, прикладываемой к свае, устанав­ливается в программе испытаний.

Несущая способность основания сваи в оттаивающих многолетнемерзлых глинистых грунтах по результатам испытаний статической вдавливающей нагрузкой определяется по формуле по соответствующей формуле.