ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Лабораторная работа 3.1. Определение плотности мерзлого грунта методом взвешивания в нейтральной жидкости Цель работы: Научиться определять плотность мерзлого грунта методом взвешивания в нейтральной жидкости. Задание: Определить плотность мерзлого грунта. Необходимое оборудование: весы, керосин или лигроин, линейка, нитки, ареометр, сосуд. Ход работы: Плотность мерзлых грунтов определяется методом взвешивания в нейтральной жидкости. В учебных целях образцы грунта можно приготовить путем замораживания их в компрессионных кольцах с известным объемом, и тогда отпадает необходимость взвешивания в нейтральной жидкости, а плотность определится методом режущего кольца. Образец грунта и нейтральная жидкость (керосин, лигроин и др.) должны иметь отрицательную температуру. Образец грунта отбирают округлой формы, массой около 100–150 г и обвязывают нитью. Для грунтов с сетчатой или слоистой криогенной структурой масса образца может быть увеличена. Определяют плотность нейтральной жидкости ареометром, замеряют температуру испытания. Затем образец взвешивают, погрузив его в нейтральную жидкость. Плотность грунта ρ , г/см 3 вычисляют по формуле: где т – масса образца (до погружения), г; m 1 – результат взвешивания образца в нейтральной жидкости – разность масс образца и вытесненной им жидкости, г; ρ n – плотность нейтральной жидкости при данной температуре испытаний, г/см 3 (плотность керосина ρ n =0,81 г/см 3 , лигроина ρ n =0,78 г/см 3 ). Лабораторная работа 3.2. Определение суммарной влажности мерзлых грунтов Цель работы: Научиться определять суммарную влажность мерзлых грунтов. Задание: Определить суммарную влажность мерзлого грунта ( ) , / 1 m m m n − = ρ ρ 50 согласно ГОСТ 5180–84 [3]. Необходимое оборудование: тара, полиэтиленовые пакеты, весы, разновесы, шпатель и дистиллированная вода. Ход работы: 1. Заранее замораживается в морозильной камере образец грунта массой 1–3 кг (имеющий не менее трех ледяных и минеральных прослоек каждого направления). 2. Образец мерзлого грунта помещают в предварительно высушенную, взвешенную и пронумерованную тару. Допускается оттаивание образцов грунта в плотно завязанных полиэтиленовых пакетах во время транспортирования и хранения. 3. Образец грунта в таре (m 3 ), г взвешивают, дают ему оттаять и доводят до однородного состояния, близкого к границе текучести для пылевато-глинистых грунтов, или полного водонасыщения для песчаных грунтов, перемешивая его металлическим шпателем и добавляя дистиллированную воду или осторожно сливая избыток воды после ее осветления. 4. Грунт в таре вновь взвешивают (m 4 ) и отбирают из него пробы для определения влажности перемешанного грунта. Суммарная влажность мерзлого грунта, в долях единицы, вычисляется по формуле: где m 2 – масса тары, г: m 3 – масса образца грунта (с тарой), г; т 4 – масса перемешанного грунта (с тарой), г; w – влажность перемешанного грунта, %. Результаты опытов записывают в журнал. Лабораторная работа 3.3. Определение основных характеристик физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов Цель работы: Научиться рассчитывать основные показатели физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов. Задание: Вычислить и определить по таблицам для трех незасоленных грунтов своего варианта (табл. 3.4) характеристики их физических и теплофизических свойств. Исходные данные: Приведены в табл. 3.5. ( ) , 100 100 2 4 2 3 − + − − = w m m m m w tot 51 Ход работы: 1. Определяется величина w w , предварительно берутся из табл. 3.1 значения k w при температуре грунта T, ° C и числе пластичности I p , полученному по формуле 3.3. 2. Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента) w ic , определяется по формуле 3.4 , приняв w m ≈ w p , 3. Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w i , рассчитывается по формуле 3.5. 4. Суммарная льдистость мерзлого грунта i tot , определяется по формуле 3.6. 5. Льдистость грунта за счет ледяных включений i i , определяется по формуле 3.7, льдистость за счет льда-цемента i iс , по формуле 3,8. 6. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой S r , д. е., определяется по формуле 3.9, предварительно определяется коэффициент пористости е, по формуле 3.10 и плотность скелета грунта ρ d , по формуле 3.11. 7. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта ( λ th и λ f , Вт/(м ⋅° С)), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (C th и C f , Вт·ч) принимаются по табл. 3.2, в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии ( ρ d ) и влажности w tot 8. Значение температуры начала замерзания грунта T bf принимается по табл. 3.3 с учетом концентрации порового раствора с ps 9. Значение удельной теплоты таяния (замерзания) грунта L ν , Вт·ч/м 3 , определяется по формуле 3.13. Размерность плотности сухого грунта ρ d берется в кг/м 3 10.Результаты представить в виде таблицы (пример – табл. 3.6), добавить значения температуры начала замерзания грунта T bf и удельной теплоты таяния (замерзания) L ν Таблица 3.4 Номера грунтов по вариантам № варианта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 № грунта из табл. 3.5 1, 3, 6 5, 13, 2 4, 11, 12 6, 8, 14 10, 3, 15 4, 15, 7 7, 11, 5 12, 13, 3 9, 14, 7 2, 12, 1 52 Таблица 3.5 Исходные данные для лабораторной работы № 3.3 № г ру нт а Описание пород Мощ- ность слоя, м Темпера- тура грунта, °С Плотность частиц грунта ρ s, г/см 3 Плотность мерзлого грунта ρ , г/см 3 Влажность, д. е. Суммарная влажность w tot , д. е. на границе текучести w l на границе раскатыва- ния w p 1 Суглинки сетчатой текстуры 3,2 –1,3 2,76 1,6 0,43 0,31 0,34 2 Глины слоистой текстуры 3,0 –2,5 2,71 1,65 0,47 0,27 0,37 3 Глины массивной текстуры 1,1 –2,6 2,6 1,85 0,28 0,1 0,28 4 Суглинки средние пылеватые 2,8 –1,0 2,77 1,82 0,39 0,23 0,33 5 Глины сетчатой текстуры 3,4 –3,0 2,77 1,71 0,46 0,23 0,34 6 Глины слоистой структуры 3,1 –2,5 2,78 1,63 0,41 0,21 0,35 7 Озерно- ледниковая супесь пылеватая 3,0 –0,9 2,79 1,96 0,29 0,15 0,25 8 Суглинки массивной текстуры 2,1 –2,5 2,7 1,84 0,29 0,16 0,31 9 Глины слоистой текстуры 2,9 –1,8 2,74 1,52 0,48 0,28 0,36 10 Суглинки сетчатой текстуры 3,4 –0,6 2,72 1,61 0,45 0,29 0,43 11 Супеси массивной текстуры 1,6 –0,8 2,78 1,76 0,18 0,13 0,23 12 Суглинки слоистой текстуры 2,8 –1,0 2,75 1,52 0,44 0,29 0,43 13 Суглинки сетчатой текстуры 1,3 –1,5 2,74 1,59 0,43 0,3 0,4 14 Супеси массивной текстуры 1,8 –1,0 2,7 1,64 0,26 0,2 0,34 15 Супесь массивной текстуры 1,6 –0.8 2,7 1,75 0,2 0,14 0,28 53 Таблица 3.6 Таблица показателей физических и теплофизических свойств мерзлых пород Описание пород Показатели физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов w m w i w w w ic I p i tot i ic i i ρ d e S r λ f λ th C f C th 1. Суг лин ки слои стой текс тур ы 2. Суг лин ки сетч атой текс тур ы 3. Суп еси мас сивн ой тек сту ры 4. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ 4.1. Принципы использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований инженерных сооружений При строительстве вне области развития многолетнемерзлых пород обычно принимается, что вся нагрузка от сооружения передается через подошву фундамента на грунтовое основание, а грунты, соприкасающиеся с боковой поверхностью фундамента, только в отдельных случаях (сваи, глубокие фундаменты) принимают вертикальную нагрузку. Иначе оценивается работа фундамента (его взаимодействие с грунтом) в районах глубокого сезонного промерзания и развития многолетнемерзлых грунтов. Здесь нагрузка передается на грунт через 54 все поверхности соприкосновения с ним фундамента. Это связано с тем, что происходит смерзание поверхности фундамента с грунтом, в результате чего касательные и нормальные усилия передаются от грунта к фундаменту и от фундамента к грунту. Величина передаваемых усилий при этом ограничивается прочностью смерзания. Направление усилий, которые возникают при взаимодействии фундамента с грунтом, может изменяться во времени и зависит от того, в каком слое (сезонном или многолетнем) располагается фундамент. В пределах слоя сезонного промерзания (протаивания) касательные усилия, передаваемые грунтом фундаменту, направлены снизу вверх и развиваются в течение части года, в период промерзания этого слоя и его пучения. В пределах слоя многолетнемерзлых пород в результате смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента мерзлый грунт принимает от фундамента часть нагрузки не только через его поленту, но и по всей боковой поверхности. В то же время боковое смерзание нижней части фундамента с многолетнемерзлыми слоями породы в целом увеличивает сопротивление фундамента выпучиванию, которое возникает при промерзании грунтов слоя сезонного протаивания. В зависимости от совокупного действия нормальных и касательных сил, сил выпучивания (а также и трения) фундамент может находиться в устойчивом состоянии или перемещаться (выпучиваться, оседать). Неравномерное перемещение фундаментов вверх или вниз служит, как правило, основной причиной деформации зданий и сооружений. Закладывая фундаменты глубже глубины сезоннопромерзающего или сезоннопротаивающего слоя, можно добиться того, что влияние ежегодных процессов пучения и осадки грунтов распространяется только на часть его боковой поверхности. Фундаменты, заложенные целиком в слое сезонного промерзания-протаивания, испытывают влияние пучения и осадки не только через боковую поверхность, но и через подошву фундамента. При проектировании и строительстве на многолетнемерзлых грунтах следует предусмотреть меры, обеспечивающие сохранности и сооружений и требуемые эксплуатационные качества. Это достигается выбором конструктивной оптимальной схемы сооружения, типа фундамента, методов улучшения строительных свойств грунтов основания и регулирования теплового взаимодействия сооружений с основаниями. Совокупность всех мероприятий (или части) принято называть способом обеспечения устойчивости инженерных сооружений. В России эти способы разрабатывались в процессе строительства и 55 Заполярье (в северных ландшафтно-климатических зонах) и затем были обобщены в нормативном документе «Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на многолетнемерзлых грунтах» (СНиП 2.02.04–88). В этом документе они объединяются в две большие группы, называемые принципами использования мерзлых грунтов в качестве оснований сооружений. Принцип I – многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации сооружения; подошва фундамента опирается на многолетнемерзлые грунты. Способы обеспечения устойчивости сооружений могут создаваться путем: 1) сохранения мерзлого состояния грунтов основания (или понижения температуры многолетнемерзлых грунтов); 2) ограничения оттаивания многолетнемерзлых грунтов основания; 3) предварительного промораживания грунтов основания; 4) промораживания грунтов основания в процессе строительства и эксплуатации сооружений. Принцип II – многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации сооружений или с их оттаиванием на расчетную глубину до начала строительства); подошва фундамента расположена выше кровли многолетнемерзлых пород. Сюда относятся способы обеспечения устойчивости сооружений путем: I) приспособления надфундаментной конструкции к неравномер- ным осадкам основания при оттаивании многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации (конструктивный метод); 2) предварительного оттаивания многолетнемерзлых грунтов под всем зданием: 3) предварительного локального оттаивания многолетнемерзлых грунтов (оттаивание производится только в местах передачи нагрузки на основание от зданий); 4) стабилизации начального положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов. Выбор принципа строительства на многолетнемерзлых грунтах и способа его обеспечения основывается, с одной стороны, на всестороннем изучении геокриологических условий территории с учетом их возможных изменений при строительстве и эксплуатации сооружений, с другой – на учете конструктивных особенностей сооружений (размеров фундаментов, используемых строительных материалов, сроков службы сооружений), режимов эксплуатации (с тепловыделением или без него с применением мокрого или сухого 56 процесса и т.д.). При проектировании оснований и фундаментов сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, следует выполнять теплотехнические расчеты основания и расчеты основания и фундаментов на силовые воздействия. В расчетах основания и фундаментов надлежит учитывать принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания, тепловое и механическое взаимодействие сооружения и основания. Основания и фундаменты следует рассчитывать по двум группам предельных состояний: по первой – по несущей способности, по второй – по деформациям (осадкам, прогибам и пр.), затрудняющим нормальную эксплуатацию конструкций сооружения или снижающим их долговечность. Элементы железобетонных конструкций следует рассчитывать также по трещиностойкости. Расчет оснований следует производить: а) при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I: по несущей способности – для твердомерзлых грунтов; по несущей способности и деформациям – для пластичномерзлых и сильнольдистых грунтов, а также подземных льдов; б) при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II: по несущей способности – в случаях, предусмотренных СНиП 2.02.01–83 [3]; по деформациям – во всех случаях, при этом для оснований, оттаивающих в процессе эксплуатации сооружения, расчет по деформациям надлежит производить из условия совместной работы основания и сооружения (фундаментов). Расчет оснований по деформациям следует производить на основные сочетания нагрузок и воздействий; расчет по несущей способности: на основные и особые сочетания нагрузок и воздействий [8]. 4.2. Расчет глубины заложения фундамента Глубина заложения фундаментов, считая от уровня планировки (подсыпки или срезки), назначается с учетом требований СНиП 2.02.01– 3 [3] и принятого принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания и должна приниматься с учетом: 1. назначения и конструктивных особенностей проектируемого сооружения, нагрузок и воздействий на его фундаменты; 2. глубины заложения фундаментов примыкающих сооружений, а также глубины прокладки инженерных коммуникаций; 57 3. существующего и проектируемого рельефа застраиваемой территории; 4. инженерно-геологических условий площадки строительства (физико-механических свойств грунтов, характера напластований, наличия слоев, склонных к скольжению, карманов выветривания, карстовых полостей и пр.); 5. гидрогеологических условий площадки и возможных их изменений в процессе строительства и эксплуатации сооружения; 6. возможного размыва грунта у опор сооружений, возводимых в руслах рек (мостов, переходов трубопроводов и т. п.); 7. глубины сезонного промерзания. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов. Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d fn , м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле: , 0 t fn M d d = (4.1) где M t – безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемых по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства – по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства; d 0 – величина, принимаемая равной, м, для: суглинков и глин – 0,23; супесей, песков мелких и пылеватых – 0,28; песков гравелистых, крупных и средней крупности – 0,30; крупнообломочных грунтов – 0,34. Значение d 0 для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. Нормативную глубину промерзания грунтов для конкретного региона строительства допускается принимать по схеме СНиПа 58 «Строительная климатология и геофизика» (рис. 4.1), или ее уточняют в районных строительных организациях либо отделах архитектуры и землеустройства. При использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу I минимальную глубину заложения фундаментов d min необходимо принимать по табл. 4.1 в зависимости от расчетной глубины сезонного оттаивания грунта d th При использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу II минимальную глубину заложения фундаментов d min следует принимать в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01–83 в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания d f , и уровня подземных вод d w , м, который принимается с учетом образования под сооружением зоны оттаивания. Таблица 4.1 Минимальная глубина заложения фундаментов при использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу I [8] Фундаменты Минимальная глубина заложения фундаментов d min , м Фундаменты всех типов, кроме свайных Свайные фундаменты зданий и сооружений Сваи опор мостов Фундаменты зданий и сооружений, возводимых на d th + 1 d th + 2 d th + 4 Не нормируется Рис. 4.1. Схема для определения нормативной глубины промерзания грунтов 59 подсыпках В случаях, когда глубина заложения фундаментов не зависит от расчетной глубины промерзания d f , соответствующие грунты, указанные в табл. 4.2, должны залегать до глубины не менее нормативной глубины промерзания d fn Расчетная глубина сезонного оттаивания d th и расчетная глубина сезонного промерзания грунта d f определяются по формулам [8]: d k d th h th n = , , ; (4.2) d f = k h d f,n , (4.3) где d th,n и d f,n – нормативные глубины соответственно сезонного оттаивания и сезонного промерзания грунта; k’ h и k h – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 4.3 и 4.4. Таблица 4.2 Глубина заложения фундаментов в зависимости от глубины расположения уровня подземных вод [8] Грунты под подошвой фундамента Глубина заложения фундаментов в зависимости от глубины расположения уровня подземных вод d w , м, при d w ≤ d f + 2 d w > d f + 2 Скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средней крупности Не зависит от d f Не зависит от d f Пески мелкие и пылеватые Не менее d f Не зависит от d f Супеси с показателем текучести I L < 0 Не менее d f Не зависит от d f Супеси с показателем текучести I L ≥ 0 Не менее d f Не зависит от d f Cуглинки, глины, а также крупно- обломочные грунты с пылевато- глинистым заполнителем при показателе текучести грунта I L ≥ 0,25 Не менее d f Не зависит от d f Cуглинки, глины, а также крупно- обломочные грунты с пылевато- глинистым заполнителем при показателе текучести грунта I L < 0,25 Не менее d f Не менее 0,5 d f Таблица 4.3 Коэффициенты теплового влияния сооружения [8] Сооружения k h ’ k h Здания и сооружения без холодного подполья – табл. 4.4 Здания и сооружения с холодным подпольем: – 60 у наружных стен с отмостками, имеющими асфальтовое (и подобное) покрытие 1,2 – у наружных стен с отмостками без асфальтовых покрытий 1,0 – у внутренних опор 0,8 – Мосты: промежуточные массивные опоры с фундаментами мелкого заложения или фундаментами из свай и свай-столбов с плитой, заглубленной в грунт при ширине опор по фасаду: от 2 до 4 м 1,3 1,2 4 м и более 1,5 1,3 промежуточные столбчатые и свайные опоры, рамностоечные опоры с фундаментами мелкого заложения 1,2 1,1 обсыпные устои 1,0 1,0 Таблица 4.4 Коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые в зависимости от среднесуточной температуры в помещении [8] Особенности сооружения Коэффициент k h при расчетной среднесуточной температуре воздуха в помещении, примыкающем к наружным фундаментам, о С (СНиП 2.02.01–83) 0 5 10 15 20 и более Без подвала с полами, устраиваемыми: по грунту 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 на лагах по грунту 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 по утепленному цокольному перекрытию 1,0 1,0 0,9 0,8 0,7 С подвалом или техническим подпольем 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 При промежуточных значениях температуры воздуха коэффициент k h принимается с округлением до меньшего значения, указанного в табл. 4.4. |