Диссертация (Влияние сезоннопромерзающих грунтов на фундаменты вертикальных стержневых элементов), страница 4

Следовательно, эти процессы взаимосвязаны и поэтомудолжны рассматриваться совместно. Вертикальные деформации стрежневыхэлементв значительно меньше горизонтальных..Большинство ВСЭ расположенных на откосах насыпей и выемок, припромерзании грунта подвергались деформациям (боковым отклонениям ивыпучиванию).Отклонениявертикальныхстержневыхэлементовсзаделкойфундаментной части в вечномерзлый грунт прекращаются к моменту полного22промерзаниягрунтадеятельногослоя(январь-февраль).Вертикальныестержневые элементы с фундаментной частью, размещенной в пределахдеятельного слоя, отклоняется в течение всего зимнего периода до конца марта.Сравнение характера перемещений вертикальных стержневых элементовпоказывает, что в процессе поднятия вертикальных стержневых элементовнаправление их боковых отклонении изменяется.

С началом выпучиваниявертикальных стержневых элементов, которое соответствует промерзаниюгрунта на глубину 0,2–0,3 м, отклонения происходили в направлении поля илинаступало кратковременное прекращение отклонений. При промерзании грунтаниже0,5–0,7мвертикальныестержневыеэлементыотклонялисьвнаправлении, обратном действию нагрузки.Различие в мерзлотно-грунтовых условиях в значительной мереопределили характер и величины отклонений вертикальных стержневыхэлементов.Научастках,гдевертикальныестержневыеэлементыустанавливаются на насыпях высотой до 1,5 м, в основании которых залегаютгрунты,подверженныебольшемураспучиванию(грунтысбольшейвлажностью, обводненные грунты и др.), чем в теле земляного полотна,вертикальные стержневые элементы подверглись боковым отклонениям, какправило, к пути, т.

е. в направлении, обратном действию постоянной нагрузки.Это можно объяснить влиянием неравномерного пучения грунта вокругфундаментной части: большая величина поднятия поверхности наблюдалась вплоскости минимального расстояния от основания насыпи до поверхностиоткоса (нижняя часть откоса), меньшая – со стороны пути.Для оценки влияния сил морозного пучения грунта на боковуюустойчивость вертикальных стержневых элементов, установленных на откосенасыпей в период 1961–1964 гг., были произведены измерения нормальнойоставляющей сил морозного пучения к боковой поверхности фундаментнойчасти.23В течение трехлетних измерений они составили около 2,5 кГ/см2.

Повысоте фундамента напряжения постепенно уменьшаются и на глубине около2 м нормальные к боковой поверхности фундамента напряжения отсутствуют.Распределение напряжений по боковой поверхности фундамента можнопредставить в виде треугольной эпюры с максимальной ординатой в верхнеммерзлом слое, а ординатой, равной пулю, – на глубине около 2 м (нижняяграница зоны активного пучения грунта).С февраля происходит постепенное снижение напряжений. Онообусловлено, по всей вероятности, сжатием верхних слоен мерзлого грунта приего переохлаждении и их релаксацией за счет ползучести грунта в напряженнойзоне при последующем повышении температуры.

По мере протаивания грунтанормальные напряжения по высоте фундамента, вызванные морознымпучением грунта, полностью исчезают: так, на глубине 0,2 м они равны нулю вначале мая, на глубине 0,8 м – в июне, а на глубине 1,6–1,9 м – в конце августа.В талых грунтах фундамент воспринимает только бытовое давление.Максимальная суммарная сила морозного пучения, действующая нормально к боковой поверхности фундаментной части вертикального стержневогоэлемента, вычисленная по треугольной эпюре для мерзлотно-грунтовых условийопытного участка 2, составила 8–9 Т.

Точка приложения равнодействующей этойсилы находится на глубине 0,7 м от дневной поверхности.Непосредственные измерения величины касательных сил, действующихперпендикулярнок вертикальному стержневому элементу, показали, чтонакопление суммарных сил происходит постепенно по мере промерзаниягрунта.

Суммарные силы, достигающие максимального значения, возникают вмомент промерзания грунта на глубину, равную примерно2/3 мощностидеятельного слоя. В период с февраля по сентябрь происходит постепенноеуменьшение их до нуля.Анализ результатовнаблюденийза устойчивостью вертикальныхстержневых элементов и измерений сил морозного пучения показывает, чтонаибольшие боковые отклонения возникают на участках, где горизонтальная24составляющая силы морозного пучения имеет большую величину.

На высокихнасыпях вследствие небольшой влажности грунт меньше подвержен морозномупучению, поэтому с увеличением высоты насыпи величина боковыхотклонений вертикальных стержневых элементов уменьшается. Как известно,одним из основных факторов, определяющих величину морозного пучениягрунтов, является их влажность.Анализ приведенных данных позволяет отметить, что на участках сбольшойначальнойвлажностьювертикальныестержневыеэлементыподвергаются большим деформациям, чем вертикальные стержневые элементы,установленные на участках с меньшей начальной влажностью.В летний период при протаивании грунта горизонтальные перемещенияимеют почти все вертикальные стержневые элементы. Величина боковыхотклонений вертикальных стержневых элементов зависит от мерзлотногрунтовых, гидрогеологических условий, типа земляного полотна.

Отклонениявертикальных стержневых элементов в летний период, вызванные действиемвнешней нагрузки, происходят, как правило, в направлении нагрузки и связаныс потерей несущей способности грунта при его протаивании. Отклонениявертикальных стержневых элементов возникают при протаивании грунта наглубину 0,8–1,0 м и продолжаются до начала промерзания грунта.Исследования показали, что наибольшие отклонения вертикальныхстержневых элементов при протаивании грунта возникают в период июль –октябрь и составляют 80–90 % общей величины летних деформаций.Величина боковых отклонений во многом зависит от высоты насыпи и отусловий заделки фундаментной части.

Вертикальные стержневые элементы,установленные на насыпях с размещением фундаментной части в пределахдеятельного слоя, при протаивании грунта имеют большие отклонения, чемвертикальные стержневые элементы, фундаментная часть которых заделана ввечномерзлый грунт.Порезультатаммноголетнихнаблюденийзаустойчивостьювертикальных стержневых элементов при протаивании грунта получена25зависимость величины боковых отклонений на уровне контактного провода отвысоты насыпи для вертикальных стержневых элементов, установленных сразмещением фундаментной части в пределах деятельного слоя. Наибольшиебоковые отклонения вертикальных стержневых элементов наблюдались нанасыпях высотой 1,5–2 м, величина которых за один сезон достигала вотдельные годы 10 см. В этих условиях фундаментная часть вертикальныхстержневых элементов размещена почти полностью в переувлажненном грунте,несущая способность которого при протаивании резко снижается. На насыпяхвысотой0,5 мустойчивостьвертикальныхстержневыхэлементовобеспечивается за счет заделки фундаментной части на большую глубину ввечномерзлый грунт и в грунт естественного сложения.

Минимальныегоризонтальныеперемещениявертикальныхстержневыхэлементовнаблюдались на насыпях высотой более 4 м.Отклонения вертикальных стержневых элементов, возникающие приежегодном оттаивании деятельного слоя грунта, не затухают, а ежегоднонакапливаются. Скорость отклонения неодинакова для всех вертикальныхстержневых элементов, а зависит от мерзлотно-грунтовых и других условий вместах их размещения. Основными причинами, вызывающими ежегодныеотклонения вертикальных стержневых элементов при оттаивании деятельногослоя грунта, являются природные факторы, связанные с процессамипромерзания/протаивания грунта.Отклонения вертикальных стержневых элементов, установленных вобычных условиях, через 1–2 года полностью прекращаются, если нагрузки непревышают предельную [4, 7].

Это объясняется постепенным упрочнениемгрунта засыпки за счет естественного его уплотнения под собственным весом иобразованияуплотненногоядрагрунтапоконтактурабочихгранейфундаментной части [9].Пучинистые глинистые грунты даже в естественном залегании находятсяв переувлажненном состоянии и имеют незначительную несущую способность.Упрочнениегрунтазатрудняетсяежегоднымпроцессомпромерзания/26протаивания, в результате которого происходит разуплотнение грунта. Послетого как произойдет таяние кристаллов, линз и прослоек льда, образовавшихсявпроцессепромерзания,грунтпредставляетдонекоторойстепениразобщенную на отдельные агрегаты массу с относительно большимкоэффициентом пористости.

Результаты определения плотности грунтаненарушенной структуры перед его промерзанием и после оттаивания вестественных условиях показывают, что при промерзании плотность грунтауменьшается.Плотностьталогогрунтасовременемувеличивается.Максимальная плотность грунта наблюдается перед началом промерзания.Установлено, что в пазухах котлованов фундаментов вертикальныхстержневых элементов грунт имеет более высокую влажность по сравнению сестественными условиями.Увеличение влажности обусловлено, с одной стороны, нарушеннойструктурой грунта, а с другой – интенсивной миграцией влаги в зонурасположения фундамента как к более охлажденному телу [3, 8].

Поэтомугрунт в зоне расположения фундамента при протаивании грунта имеет ещеменьшую несущую способность, чем в естественном сложении. В результатевертикальные стержневые элементы при протаивании грунта подвергаютсягоризонтальным перемещениям даже под нагрузкой, не превышающейпредельную для данных условий [42].

При наклонах вертикальных стержневыхэлементов и под воздействием собственного веса происходит постепенноеуплотнение и, следовательно, упрочнение грунтов засыпки у рабочих гранейфундамента.Кконцулетнегосезонагрунтприобретаетпрочность,достаточную для обеспечения боковой устойчивости вертикальных стержневыхэлементов под эксплуатационной нагрузкой. С установлением устойчивойотрицательной температуры деформации вертикальных стержневых элементоввозникают вновь, но уже под воздействием морозного пучения грунта.Таким образом, в пучинистых грунтах боковые отклонения вертикальныхстержневыхэлементовприпротаиваниигрунта,возникающиеподнезначительной нагрузкой, тесно связаны с процессом промерзания грунта иежегодно продолжаются с равномерной скоростью.271.4 Влияние крутизны откоса и глубины заделкина боковую устойчивость вертикальных стержневых элементовпри промерзании грунтаВертикальные стержневые элементы, установленные на откосах насыпейи выемок, подвергаются воздействию сил морозного пучения, направленныхнормально к поверхности откоса и под некоторым углом по отношению кбоковой поверхности фундамента.

Величина этого угла, зависящая от крутизныоткоса, во многих случаях определяет величину зимних боковых отклоненийвертикальных стержневых элементов. Величина отклонений зависит также отглубины заложения фундаментной части.Дляизучениявлияниянабоковуюустойчивостьвертикальныхстержневых элементов глубины заделки их фундаментной части и крутизныоткосовбылипроведеныисследованиявлабораторныхусловиях.Одновременно изучалось влияние глубины и скорости промерзания грунта набоковую устойчивость моделей вертикальных стержневых элементов.Было исследовано взаимодействие моделей вертикальных стержневыхэлементов с промерзающим грунтом без приложения внешней нагрузки.Исследования проводили в холодильной камере на стенде с моделями вмасштабах 1:10 и 1:25. (рисунок 1.5). Крутизну откоса принимали равной1:1,25; 1:1,50 и 1:1,75.

Заглубление фундаментной части в грунт составляло 15,20, 25, 30 и 35 см.Стенд, имеющий размеры 1,20,60,9 м, заполняли суглинком сначальной влажностью 28–30 %. Плотность грунта в стенде доводили доплотности, близкой к естественной. Необходимая крутизна откоса задаваласьпо специальному шаблону. После подготовки откоса в грунте пробуривалискважины, в которые устанавливали модели вертикальных стержневыхэлементов.28Рисунок 1.5 – Схема устройства стендадля проведения исследований устойчивостимоделей вертикальных стержневых элементовОтклонениеивыпучиваниемоделейвертикальныхстержневыхэлементов при промерзании грунта измеряли при помощи индикаторовчасового типа поперек и вдоль откоса.Чтобы обеспечить промерзание грунта сверху и исключить боковоепромерзание, пространство между двойными стенками стенда было заполненотеплоизолирующим материалом. Днище стенда изготовлено в виде ванны,заполняемойвпроцессеопытовводой,подогреваемойтрубчатымиэлектрическими подогревателями, уложенными по всей площади ванны.Сверху ванна закрыта досками с отверстиями.