УДК 622.11.4; 622.023
ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ ПО ГЛУБИНЕ В СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩИХ ГРУНТАХ
Шахмов Ж.А., Тулебекова А.С.
Магистры ЕНУ им. Л.Н.Гумилева
Рассмотрены закономерности промерзания, нормативные глубины промерзания грунтов в сезоннопромерзающих грунтах. Также исследованы расчеты глубины проникания 00С для очищенной и неочищенной от снега поверхностей грунтов.
Исследование влияния отрицательных температур, промерзание по глубине грунтов является важной задачей в строительстве. Большая протяженность территории Казахстана с запада на восток и с севера на юг, сложность географического, геологического, тектонического, гидрогеологического строения, ландшафтных и климатических условий в значительной мере предопределяет своеобразие сезонного промерзания грунтов по различным регионам. Глубины сезонного промерзания грунтов отличаются даже в близких друг от друга пунктах и редко повторяются в последующие годы. При этом они обычно близки по средней величине, в некотором количестве отклоняясь от нее в отдельные годы.
При использовании пучинистых грунтов сезонного промерзания в качестве оснований зданий и сооружений, а также подземных инженерных коммуникации, автомобильных дорог и аэродромов необходимо с достаточной надежностью определить распределение отрицательных температур по глубине, максимальную глубину границы нулевых температур, скорости промерзания грунта и образования твердомерзлого грунта.
Основные закономерности промерзания на конкретной площадке определяются условиями теплообмена на поверхности грунта, его составом и состоянием. Глубина промерзания зависит в основном от следующих четырех характеристик: средних годовых температур грунтов, годовых амплитуд температур на поверхности, состава и влажности грунта. Решение частных задача для случаев промерзания при непрерывно происходящих фазовых переходах, а также с учетом процессов миграции влаги показало, что движение вниз границы раздела фаз во многих случаях может происходить по закону в виде df(f) = α t, где α>0 – константа, определяющая скорость промерзания и зависящая как от краевых условий в температурной и влажностной задачах, так и от всей совокупности тепло- и массообменных характеристик, t- время. Точное решение классической задачи Стефана может быть описано аналогичным образом указанным выражением. Приближенной решение по определению глубины сезонного промерзания по методу Л.С. Лейбензона производят на основании зависимости в виде df(t) = α t, в которой α устанавливается по показателям физических свойств грунта, температуре мерзлого и талого слоев и фазовых переходов. Таким образом, анализ теоретических решений задач о глубине промерзания грунтов в широком диапазоне значений параметров, входящих в расчетные формулы, показывает, ч то в обобщенном виде закономерностей изменения глубины сезонного промерзания в пределах всей территории Казахстана может быть выражена формулой
dfn= αt, (1)
где α – обобщенная характеристика скорости промерзания, м/с1/2; t- время за период промерзания, с.
Многочисленные наблюдения зарубежными авторами на опытных площадках за глубиной сезонного промерзания подтверждают указанную закономерность. Эти площадки расположены в районах, где максимальная глубина промерзания составляла от 1,5 до 3,5 м и более. Указанные наблюдения подтверждают также правомерность определения
184
нормативной глубины сезонного промерзания в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.01-83*, т.е. по формуле
dfn= d0 Mt, (2)
где d0 – величина, принимаемая в зависимости от вида проемрзающего грунта в пределах от 0,23 до 0,34; Mt – сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур воздуха за зиму в рассматриваемом районе.
Формула (2) по своей структуре соответствует приведенным выше решениям «Задачи Стефана» для оценки глубины промерзания, полученным без каких-либо условий по ограничению этой глубины. Анализ расчетной формулы, приведенной в обязательном приложении СНиП 2.02.04-88 показывает, что в ее основе также лежит решение «Задачи Стефана» с некоторыми уточнениями, касающимся температуры начала замерзания грунтов.
Таким образом наряду со строгими теоретическими решениями задач оценки температурных полей промерзающих(оттаивающих) грунтов при решении многих вопросов проектирования и устройтсва фундаментов глубина сезонного промерзания(оттаивания) может быть определена на основании закономерности. Описываемый в виде выражения формулы (1).
Это выражение использовано при разработке теоретического метода прогноза влагонакопления в промерзающем слое грунта и величины морозного пучения грунта фундаментов в рассматриваемых ниже задачах.
Для предварительных расчетов нормативную глубину промерзания допускается определять по схематической карте(рис.1).
Карта составлена для оценки глубины промерзания суглинков и глин. Поэтому при определнии глубины промерзания грунтов других разновидностей найденную по карте величину нормативного промерзания следует умножить на отношение d0/0.23. Здесь d0 соответствует грунтам рассматриваемой площадки. Значение d0 для площадок, сложенных неоднородными по глубине грунтами, определяется как средневзвешенное по глубине слоя сезонного промерзания.
Для определения температурного режима оснований малозаглубленных фундаментов, трубопроводов и других сооружений с утепляющими элементами используется решение нелинейной двухмерной( плоской) или трехмерной (пространственной) задачи с применением метода конечных элементов. Наиболее удобной для проектирования является программа TEMP/W. Однако эта программа не учитывает миграцию влаги к фронту промерзания в отличие от программы ―Termoground‖, разработанный специалистами из соседней России. При определении глубины по времени температурное поле в этих программах находится по средней(нормативной) температуре грунта на дневной поверхности и продолжительности ее действия, что не позволяет получить распределение отрицательной температуры по глубине промерзания при взаимодействии с заглубленными в грунт источниками теплоизлучения.
Принято считать температура почвы изменяется каждый год незначительно, что позволяет при обработке ограничиваться сравнительно короткими рядами наблюдений.
Распределение средних месячных, декадных значений температуры грунта на глубинах 0,2…3,2 м принято считать нормальным.
Для продления ряда параллельных наблюдений за распределением температуры грунтов и максимальной глубиной проникания 00С в грунт для очищенной и неочищенной от снега поверхностей (5лет) использованы известные методы отношений и разности температур по глубине промерзания.
185
(изолини и районов)
суглинков и глин малоисследованнных
Рис. 1. Схематическая карта нормативных глубин промерзания нормативных глубин промеразния, обозначенные пунктиром, даны для
Глубина проникания 00С для очищенной от снега поверхности в соответсвии с формулой:
YN=(Yn/Xn)XN
где YN и Yn – средняя арифметическая глубина проникания 00С в грунт соответственно для длинного ряда с числом N лет наблюдений и для короткого ряда с числом n лет наблюдений для очищенной от снега поверхности; XN и Xn – то же, для неочищенной от снега поверхности. Для определения распределения температуры грунтов по глубине промерзания для очищенной и неочищенной от снега поверхностей для наиболее холодного месяца и декады использованы средние значения разности температур по глубине промерзания для короткого ряда наблюдений (5лет) с трансформацией их в длинный ряд с учетом средней многолетней толщины снежного покрова.
186
Большой разброс температуры грунтов по районам Казахстана для очищенной и неочищенной от снега поверхностей объясняется влиянием на промерзание большого числа факторов (влажность и уровень грунтовых вод, толщина снежного покрова, вид и плотность грунтов, рельеф и микрорельеф местности, растительность и др.). При этом такой определяющий фактор как индекс промерзания, равный сумме произведний абсолютных значений отрицательных температуры на время
F=(/Ti/∆ti), изменялся незначительно по постам наблюдений.
Глубину проникания 00С в грунт при фактической влажности определим по формуле
df,w= kdfdf,c;
kdf=df,w/df,n
где kdf – коэффициент, учитывающий влияние влажности на глубину промерзания грунта.
Отметим, что глубина промерзания будет несколько меньше глубины проникания 00С в грунт.
Выводы
Использование приведенных выше исследовании позволяет определить.
1. Распределение температуры грунтов по глубине с учетом фактической влажности
грунта.
2. Скорость образования твердомерзлых слоев для различных грунтов и соотношение их толщины в зависимости от промерзания
Литература:
1. «Основания, фундаменты и механика грунтов», №1-2007г, стр.26
2. Невзоров А.П. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах.-М.:Изд-во АСВ, 2000.-151с.
3. Карлов В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах, Санкт-Петербург, 2007г., стр.87.
