Основания и фундаменты на мерзлых грунтах

Упрощённые методы оценки механических характеристик мёрзлых грунтов

2008-08-30T14:24:00.006+04:00

При проектировании оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах и соответствующих инженерных изысканиях рекомендуется использовать следующие упрощённые модели определения механических характеристик мёрзлых грунтов, описанные, в частности, в книге д.т.н. Герасимова «Фундаменты на мерзлоте»,
https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

1) Обоснованные региональные таблицы механических характеристик.
2) Теоретическая оценка механических характеристик мёрзлых грунтов как композиционных материалов при полном или частичном отсутствии результатов испытаний аналогичных грунтов и (или) их компонентов - разделы книги 4.3.4, 4.4.2 - 4.4.4, 6.1, 6.2, 7.2 – 7.4; основной сайт.
3) Временные аналогии напряженно-деформационного состояния грунтов с использованием универсальных аналитических зависимостей для деформаций ползучести, прочности и температуры в характерных диапазонах напряжений (разделы книги 4.1.1, 4.1.2, 4.2, 4.3.5, 4.4.6, 6.2).
4) Аналитические аналогии деформирования и разрушения грунтов во времени (разделы книги 4.1.1 -4.1.3, 4.3.3).
5) Комплексная напряжённо-деформационная теория грунтов ( разделы книги 4.1.1 -4.1.3, 4.4.5, 7.2.2).
6) Экспресс-методы экспериментальной оценки механических характеристик грунтов - разделы книги 4.4.3, 5.2.1, 5.2.4, 5.3, 7.3.2, 7.4.1, 7.4.2, 8.5, 10, 11; сайт:
http://permafrost-foundations-e.blogspot.com/2008/08/express-method-for-determination-of.html
7) Известные лабораторные методы определения касательных сил морозного пучения с корректировкой полученных значений по виду грунта и расчётной температуре (разделы книги 7.4.1, 7.4.2, 9.2, 9.3).
8) Современные лабораторные методы определения нормальных сил морозного пучения, деформаций пучения и оттаивания грунтов - раздел 1 книги; публикации №7 и №20 в перечне: (см. файл 'Публикации.pdf' в приложениях на сайте - https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/)

Полезные сайты:

Электронная книга проф., д.т.н. Н.А. Цытовича «Механика мёрзлых грунтов» (отдельные сайты).
A schedule of reference methods for the determination of the frost susceptibility of a soil (1.0 Мб) - http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/App_A.PDF
Grain size distribution as a frost susceptibility criterion of soil (4.2 Мб) -
http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/App_B.PDF
Soil index and hydraulic properties as frost-susceptibility criteria ( 4.2 Мб) -
http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/App_C.PDF
The use of laboratory frost heave tests in the determination of frost-susceptibility (6.5 Мб) - http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/App_D.PDF
Estimation of frost heave and thaw weakening by statistical analyses and physical models (20.5 Мб) - http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/Kujala.pdf
Field and laboratory methods for determining deformation properties in thawing soils (17.5 Мб) - http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/Saarelainen.pdf
Mechanical properties data base for ground freezing purposes (16.5 Мб) -
http://www.tkk.fi/Yksikot/Osastot/R/Pohja/TC8/Ladanyi.pdf

Сайт по фундаментам на мерзлоте

2008-08-17T19:29:00.005+04:00

Проектирование фундаментов с учётом присутствия в их основаниях мёрзлых грунтов является специфической проблемой для районов распространения как вечномёрзлых, так и сезонно промерзающих грунтов. Описанию различных аспектов их исследований, инженерных изысканий и проектирования посвящён сайт, расположенный по адресу

https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

На этом же сайте можно ознакомиться с новой книгой доктора технических наук А.С. Герасимова «Фундаменты на мерзлоте:

В первой части книги «Основы реологии мерзлых пород», исходя из анализа теоретических и экспериментальных исследований, устанавливаются закономерности инженерной механики льда и мерзлых грунтов при постоянных и переменных воздействиях. Анализируются способы экспериментального и теоретического определения реологических характеристик пород, которые могут быть использованы при расчете оснований и фундаментов на вечной мерзлоте.

Во второй части книги «Осадка и несущая способность оснований» на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований устанавливаются закономерности механического поведения вечномерзлых оснований сооружений. Анализируются методы экспериментального и теоретического определения реологических характеристик оснований, которые обеспечивают необходимую вероятность безопасной их эксплуатации. Рассматриваются инженерные способы оценки осадки и несущей способности оснований фундаментов, а также их надежности, с учетом реологических свойств пород.

Развитие проектных методов расчета оснований (как многолетнемерзлых, так оттаивающих и пучинистых), а также фундаментов на этих основаниях, предусматривается в планируемой к выпуску третьей части книги «Проектирование».

Дополнительно к книге, вниманию посетителей сайта предлагаются полезные публикации автора и проекты исследований по указанной тематике. У посетителей имеется возможность предоставлять предложения и задавать вопросы автору через e-mail по исследовательским проектам и тематике сайта.

Тепловые напряжения и деформации в мёрзлых грунтах

2008-08-15T20:09:00.018+04:00

Когда и как следует учитывать тепловые напряжения и деформации в основаниях фундаментов?

Известно, что тепловые деформации мёрзлых песчаных и крупнообломочных грунтов близки к осреднённым значениям тепловых деформаций их компонентов – льда и минеральных частиц. Соответствующие коэффициенты температурного расширения устанавливаются в зависимости от значений этих коэффициентов у компонентов, с учётом газовой пористости грунтов. Для мёрзлых глинистых грунтов эти деформации обычно существенно возрастают вследствие особых тепловых свойств глинистых агрегатов, специфических деформаций плёнок незамёрзшей воды и миграции последней при отрицательных температурах. Типичными особенностями мёрзлых глинистых грунтов является их температурное последействие, т.е. запаздывание тепловых деформаций при изменении отрицательной температуры, морозное пучение и последующая существенная просадка при оттаивании.

------------------------------------------

Значительные температурные перепады в зимний период приводят к морозобойному растрескиванию мёрзлых грунтов, оказывающему влияние не только на состояние дорожных одежд и других аналогичных конструкций, но и надёжность фундаментов. Соответствующие тепловые напряжения должны определяться исходя из характера температурных колебаний, тепловых и реологических свойств грунтов.

-----------------------------------------

Во всех мёрзлых грунтах наблюдаются криогенные самоуравновешенные структурные напряжения при отсутствии внешних нагрузок. Их возникновение обусловлено различными причинами, в частности, фазовыми переходами воды и различием значений тепловых характеристик фаз. Эти напряжения обычно являются сжимающими, в отличие от растягивающих напряжений, вызывающих морозобойное растрескивание. Криогенные структурные напряжения определяют природу внутреннего трения мёрзлых грунтов при отсутствии внешних нагрузок, и наряду со льдом-цементом, обусловливают их повышенную прочность по сравнению с немёрзлыми грунтами. Использование композиционного подхода позволяет оценить как величину этого трения, так и величину предела текучести (предела затухающей ползучести) мёрзлого грунта, при превышении которой возникает его установившаяся ползучесть.

------------------------------------------

Кроме того, тепловые деформации мёрзлых грунтов являются причиной возникновения контактных сжимающих давлений на вертикальные элементы фундаментов, которые, наряду с другими факторами, определяют величину касательных сил морозного пучения и влияют на прочность смерзания. Величина этих давлений определяется на основании решения соответствующей задачи термореологии. Предложены упрощенные формулы для вычисления указанных тепловых напряжений и отвечающих им расчётных характеристик мёрзлых грунтов. Оценка деформаций морозного пучения и оттаивания, а также нормальных сил морозного пучения, и соответствующий анализ поведения мёрзлых оснований являются самостоятельными проблемами проектирования фундаментов в северных районах, которым всегда уделяется первостепенное внимание.

---------------------------------------

Способы оценки тепловых напряжений и деформаций в мёрзлых грунтах и фундаментах и методы определения сопутствующих расчётных тепломеханических характеристик рассматриваются в разделах 3.3, 4.4.2. 6.3, 9.2, 9.3, 12.1 и части 3 книги А.С. Герасимова "Фундаменты на мерзлоте". Частично они описаны в некоторых его статьях, а применительно к деформациям пучения и оттаивания - также в других многочисленных публикациях, опубликованных, например, на сайте комитета TC-8 "Геотехника мерзлых грунтов" (ISSMGE) и в СП 52-105-2009. Сайты:

1) https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

2) http://www.issmge.org/home/page.asp?sid=296&mid=2&Id=387

3) http://www.ces.nnov.ru/doc/?Doclist/doc/V893.html

Ссылки на другие полезные литературные источники можно найти в библиографии, приведённой в соответствующих публикациях на этих сайтах.

Влияние глобального потепления на вечномёрзлые основания

2008-08-12T20:57:00.008+04:00

В соответствии с п. 8 приложения 3 к СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах» расчётная среднегодовая температура вечномерзлого грунта устанавливается на основании прогнозных расчётов изменения температурного режима грунтов на застраиваемой территории. Очевидно, что такой прогноз должен в общем случае учитывать влияние изменения климата и производиться, по крайней мере, для ответственных сооружений и при повышенных деформациях построенных сооружений.

Главнейшей проблемой в этом направлении является разработка методики оценки температурного режима вечномёрзлых оснований с учётом глобального потепления.
Порядок соответствующих тепломеханических расчётов вечномёрзлых оснований представляется следующим:

Численная оценка влияния глобального потепления на среднегодовые температуры воздуха в северных районах при некоторых климатических гипотезах, например удвоении содержания в атмосфере углекислого газа, с корректировкой этих температур применительно к застраиваемым территориям.
Численное моделирование температурного режима оснований и последующая численная оценка их несущей способности и деформаций в процессе потепления при заданном тренде изменения температуры воздуха в течение срока эксплуатации сооружений, с учетом меняющихся в общем случае граничных условий на поверхности грунтов.

При отсутствии соответствующих математических программ целесообразно использовать известные рекомендации по назначению среднегодовых температур воздуха при тех или иных сценариях потепления, после чего выполнять оценку расчётных температур вечномёрзлых грунтов, несущей способности и деформаций оснований фундаментов. Такая оценка может осуществляться по данным анализа опубликованных результатов тепломеханического моделирования и (или) соответствующих аналитических расчётов оснований при заданном тренде изменения температуры на уровне верхнего горизонта вечной мерзлоты. В случаях повышенных деформаций основания указанные расчёты должны производиться с учётом совместной работы системы ‘сооружение-фундамент-основание’. Подобный подход к проектированию оснований и фундаментов является апробированным.

Рекомендуемые публикации д.т.н. А.С. Герасимова по данной проблематике и соответствующие сайты представлены ниже.

1) Книга «Фундаменты на мерзлоте» -

https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

2) Статья «Влияние глобального потепления на геотехнические свойства вечной мерзлоты» (0.41 Мб) и Предложения по разработке методики проектирования - см. файлы 'Анализ влияния потепления климата.pdf' и 'Влияние потепления климата.pdf' в Приложениях на сайте

https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

Механические свойства сильнольдистых грунтов

2008-08-09T12:19:00.004+04:00

Оценка реологических свойств сильнольдистых грунтов

В качестве расчётных характеристик сильнольдистого грунта согласно СНиП 2.02.04-88 используются: 1 – для определения несущей способности основания – расчётное давление и расчётное сопротивление сдвигу; 2 – для определения установившихся деформаций основания - коэффициент вязкости, предел текучести (предел затухающей ползучести) и предел линейной ползучести. Значения этих характеристик в нормах отсутствуют, за исключением ряда значений расчётного давления (сопротивления), которые, к сожалению, могут отличаться от фактических значений до 100 и более процентов. Если действующее напряжение превышает расчётный предел линейной ползучести, который обычно меньше расчётного сопротивления, появляется необходимость оценки 2 (3) параметров нелинейного деформирования грунта. При проектировании фундаментов деформации неустановившейся ползучести грунтов обычно во внимание не принимаются, и учитывается только их течение (установившаяся ползучесть).

В настоящее время, как правило, единственным способом оценки неизвестных свойств сильнольдистых грунтов при проектировании являются лабораторные испытания образцов при отрицательных температурах. Определение физико-механических свойств сильнольдистых грунтов при изысканиях представляет собой сложную задачу из-за огромного разнообразия их криотекстур и их различной влажности, даже в пределах одной строительной площадки, а также из-за отсутствия необходимого оборудования. Поэтому в ряде случаев более приемлемым оказывается композиционный подход, основанный на определении характеристик сильнольдистого грунта либо по характеристикам его компонентов - льда включений и грунта, не содержащего существенных ледяных включений, либо по характеристикам грунта иной льдистости, ранее определённым опытным или расчётным способами.

Расчётная оценка указанных реологических характеристик сильнольдистого грунта, как композиционного материала, выполняется с учётом его следующих особенностей:

криотекстуры и льдистости за счёт ледяных включений;
физико-механических характеристик дисперсных и ледяных включений;
напряжённого состояния основания;
расчётной температуры.

Обоснование и описание методики оценки физико-механических свойств сильнольдистых грунтов, как композиционных материалов, приведены в разделах 1.1, 1.2 и 6.1 книги А.С. Герасимова "Фундаменты на мерзлоте". Сайт:

https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/

Использование предлагаемой методики в практике геокриологических изысканий и проектирования фундаментов позволяет значительно сократить, или полностью исключить, проведение испытаний мёрзлых грунтов различной льдистости.

Механические свойства засолённых мёрзлых грунтов

2008-08-08T12:55:00.001+04:00

Принцип приближённой оценки реологических свойств засолённых грунтов:

При одинаковой гомологической температуре реологические свойства мёрзлых засолённых грунтов часто практически не зависят от засолённости и ионного состава солей и могут оцениваться по реологическим свойствам модельного грунта, обладающего такими же физическими свойствами, в частности, незасолённого мёрзлого грунта.

Обоснование принципа и описание методики оценки свойств засолённых мёрзлых грунтов приведены в разделах 1.2, 6.2 и 7.2.1 книги "Фундаменты на мерзлоте". Сайт:

https://sites.google.com/site/permafrostfoundations/