Способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт
Владельцы патента RU 2281995:
Общество с ограниченной ответственностью научно-исследовательская проектно-строительная фирма "АБИК" (ООО НИПСФ "АБИК") (RU)
Изобретение относится к строительству, в частности к области инженерно-геологических изысканий для строительства фундаментов и сооружений на сезонно промерзающих пучинистых грунтовых основаниях. Способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт, характеризующийся тем, что испытуемый грунт, по меньшей мере, три образца, помещают в устройство для определения величины морозного пучения от давления, размещенное в холодильной камере, где промораживание проводят при заданной скорости, при этом, в первом образце грунта создают давление p1, равное среднему давлению от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона, во втором образце грунта измеряют максимальное давление пучения pf(max) с учетом сжимаемости динамометра и образца грунта, в третьем образце грунта создают давление р2, большее, чем от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона, но не менее 50 кПа и по результатам измерений находят pf(max), и , а по значениям p1, pf(max) и
находят постоянный параметр грунта m1, и по значениям p2, pf(max) и
значение m2, и их среднее фактическое значение m, затем находят фактическое значение
от pi по приведенной зависимости. Технический результат состоит в повышении определения степени морозного пучения в зависимости от давления фундамента на грунт не только при давлениях до 50 кПа, но и при любых давлениях свыше 50 кПа. 2 ил.
Изобретение относится к строительству, в частности, к области инженерно-геологических изысканий для строительства фундаментов и сооружений на сезонно промерзающих пучинистых грунтовых основаниях.
Известен метод лабораторного определения степени пучинистости грунтов в соответствии с ГОСТ 28622-90, М., Госстандарт СССР, издательство стандартов, 1990 г., утвержден и введен в действие 18.05.90 постановлением Госстроя СССР №43 [1].
В соответствии с данным ГОСТом испытуемый образец грунта помещают в цилиндрическую обойму с внутренним диаметром не менее 100 мм и высотой 150 мм. При этом обойма должна состоять из отдельных колец высотой 2-5 см, соединенных между собой.
В качестве капиллярно-пористого материала для поддона обоймы может быть использован чистый мелкозернистый песок, карборунд и т.п. Высота слоя капиллярно-пористого материала должна составлять 50 мм.
Обойму с испытуемым образцом грунта помещают в холодильную камеру и проводят промораживание образцов в автоматизированном режиме при заданных температурном и временном режимах при давлении, равном предполагаемому давлению от постоянных нагрузок на заданной глубине, но не более 50 кПа, а по результату промораживания определяют относительную величину морозного пучения данного образца грунта.
Относительную деформацию морозного пучения образца грунта εfh вычисляют с точностью до 0,01 по формуле:
где hf - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм;
di - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.
Недостатком данного метода лабораторного определения степени пучинистости грунтов является то, что этот метод не позволяет определять степень пучинистости грунта при давлениях больше 50 кПа.
Практика же проектирования фундаментов на сезонно промерзающих грунтах показывает, что давление от фундаментов, как правило, достигает от 80 до 300 кПа.
Известно "Устройство для определения величины морозного пучения грунтов от давления" по свидетельству на полезную модель №25518, класс МПК E 02 D 1/00, опубликованное в Бюл. №21 10.10.2002 г. [2].
Использование данного устройства сокращает сроки статистической обработки результатов испытаний и позволяет определить предельное давление морозного пучения с учетом сжимаемости динамометра и грунта в образце в процессе его промерзания.
При этом, на первой группе из шести образцов давление доводят до среднего давления от собственного веса для расчетной глубины сезонного промерзания грунта для конкретного региона, на второй группе из шести образцов давление доводят до 50 кПа, а на третьей группе из трех образцов измеряют динамометром предельное давление пучения с учетом сжимаемости динамометра и грунта в образце в процессе его промерзания.
Данное устройство позволяет определить все необходимые параметры известной экспоненциальной зависимости степени морозного пучения от давления, о чем обстоятельно изложено в автореферате диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук автора Голли О.Р. под названием "Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве" С-Петербург, ВНИИГ им. В.Б.Веденеева, 2000 г.
Об экспоненциальной зависимости степени морозного пучения от давления подробно изложено, также, в статье к.т.н. Абжалимова Р.Ш. под названием "Гипотеза о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого слоя грунта под фундаментами, см. журнал "Промышленное и гражданское строительство"", №12, 2003 г., с.23-26.
Кривая экспоненциальной зависимости степени морозного пучения грунта от давления приведена на фиг.2.
Вместе с тем на сегодняшний день не создан более эффективный способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт по сравнению с известными по источникам научно-технической информации [1] и [2].
Целью предлагаемого изобретения является создание способа определения степени морозного пучения в зависимости от давления фундамента на грунт не только при давлениях до 50 кПа, но и при любых давлениях свыше 50 кПа, которые, как правило, чаще встречаются при проектировании фундаментов в промышленном и гражданском строительстве.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Испытуемый грунт помещают, по меньшей мере, в три образца, в установленное в холодильной камере устройство для определения величины морозного пучения грунта от давления. При этом, в первом образце создают давление, равное среднему давлению от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона; во втором образце грунта измеряют динамометром максимальное давление пучения, с учетом сжимаемости динамометра и грунта в образце; в третьем образце грунта создают давление, большее, чем от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона, но не менее 50 кПа, а по результатам этих измерений определяют среднее значение постоянного параметра грунта m при p1 и р2 и, соответственно, степень пучинистости грунта по формуле:
где 
- степень пучинистости грунта при давлении pi;
pi - изменяющееся давление от фундамента на пучащийся слой грунта по глубине промерзания, кПа, p1<pi<pf(max);
p1 - среднее давление на грунт от собственного веса для расчетной глубины сезонного промерзания для конкретного региона;
р2 - давление на испытуемый образец грунта, при значениях не менее 50 кПа;
pf(max) - максимальное давление морозного пучения, с учетом сжимаемости динамометра и грунта в образце в процессе его промерзания, кПа;
ехр - экспонента, постоянная величина, равная 2,718282;
m - постоянный параметр грунта, определяемый экспериментально, зависящий от физических и теплофизических свойств грунта и условий промерзания.
В качестве ближайшего аналога предлагаемому способу можно принять "Метод лабораторного определения степени пучинистости грунтов" в соответствии ГОСТ 28622-90 [1].
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображено устройство для определения величины морозного пучения грунтов от давления, вид спереди в разрезе.
На фиг.2 изображена известная кривая экспоненциальной зависимости степени морозного пучения грунта от давления.
Предлагаемый способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт осуществляют при помощи устройства для определения величины морозного пучения грунтов от давления по источнику научно-технической информации [2].
Данное устройство состоит из следующих узлов, приспособлений и инструментов (фиг.1).
В холодильный шкаф 1 с теплоизоляцией 2 установлен поддон 3 с песком, в который поступает вода из сосуда 4 и поддерживается постоянно заданный уровень воды в поддоне. На поддон 3 неподвижно установлен каркас 5, сваренный из стальных уголков, предназначенный для крепления на нем штативов 6, к которым прикреплены мессуры 7, на которые воздействуют штоки 8 при морозном пучении образцов грунта 9.
Испытуемый грунт ненарушенной структуры помещают в обоймы цилиндрической формы и промораживание проводят, также, в соответствии с ГОСТ 28622-90. В каждом образце установлена термопара 10.
В первой группе из шести образцов 9 производят морозное пучение при среднем давлении от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона и определяют значение p1. Для Омского региона давление p1 составляет около 20 кПа, поэтому на штоки 8 первых шести образцов установлены по два груза 11, обеспечивающих давление 20 кПа.
При этом степень морозного пучения 
определяют по показаниям мессур 7 по формуле (1).
На следующие шесть образцов установлены по пять грузов 11, которые обеспечивают соответственно давление р2 на грунт в образцах 9 по 50 кПа. А далее по показаниям мессур 7 аналогично определяют степень морозного пучения 
. Мессуры 7 обеспечивают точность измерения ±0,01 мм.
А на остальные три образца грунта 9 установлены динамометры 12, прикрепленные неподвижно к основанию поддона 3 при помощи болтов 13. Динамометры 12 показывают максимальное давление грунта pf(max) от морозного пучения, с учетом сжимаемости динамометра и грунта в образце.
Пример определения степени морозного пучения грунта по предлагаемому способу и по формуле: 
.
В качестве примера использованы параметры лабораторных испытаний, с вероятностью α=0,98, тяжелого пылеватого суглинка из основания подземного пешеходного перехода в районе завода им. П.И.Баранова в г.Омске.
Для грунта pi=p1=20 кПа, 
, pf(max)=400 кПа.
Подставляем эти значения в предлагаемую формулу:
20=400·exp(-m1·0,138).
Из этого находим: 
; 
; 0,138·m1=2,966 и m1=21,71.
При р2=50 кПа, 
(по показаниям мессур с вероятностью α=0,98).
По предлагаемому способу определяем m2 по формуле (2.2):
50=400·exp(-m2·0,09); 
; 
,
отсюда 
.
Среднее значение 
.
Находим отклонения и , полученные по формуле (2) при среднем значении m=22,405.
р1=20 кПа; рf(max)=400 кПа; m=22,405; 
;
; 
.
Отклонение от фактического значения составило:
То же, при р2=50 кПа; рf(max)=400 кПа; m=22,405; 
;
Отклонение от фактического составило
Окончательно, для испытуемого грунта получим формулу зависимости:
Как видно из фиг.2, общая степень пучинистости грунта от давления выразится уравнением:
где 
- степень сжатия динамометра и грунта в образце в процессе его промерзания, определяемая по формуле:
где 
- степень сжатия динамометра, определяемая по показанию мессуры по формуле (1);
- степень сжатия талого грунта в образце в процессе его промерзания, определяемая по формуле:
где S - осадка талого грунта при сжатии, определяемая из известного уравнения, согласно СНиП 2.02.1-83*:
где d - высота образца с грунтом;
рδ - бытовое давление на образец грунта в его природном состоянии, равное pδ=p·di;
р - плотность грунта, тс/м3;
di - глубина взятия образца для испытания, м.
- среднее давление сжатия талого грунта в процессе его промерзания, кПа;
Е - модуль деформации грунта, определяемый согласно СНиП 2.02.02-83;
β - безразмерный коэффициент, равный 0,8, согласно СНиП 2.02.02-83.
На фиг.2 показана зависимость степени пучинистости грунта 
от давления с вероятностью α=0,98, кривая 1 и зависимость степени сжатия динамометра и грунта в образце (
) от pfmax - прямая 2, полученная нами для испытуемого грунта.
Таким образом, осуществление предлагаемого способа стало возможным благодаря использованию устройства для определения величины морозного пучения грунтов от давления по свидетельству на полезную модель №25518.
А сам способ позволяет использовать сезонно промерзающие пучинистые грунты в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений, значительно снижая при этом стоимость и трудоемкость строительства по сравнению с действующими нормами проектирования.
Литература:
1. "Метод лабораторного определения степени пучинистости грунтов" по ГОСТ 28622-90, М., Госстандарт СССР, издательство стандартов, 1990 г, утвержден и введен в действие 18.05.90 г. постановлением Госстроя СССР №43.
2. "Устройство для определения величины морозного пучения грунтов от давления" по свидетельству на полезную модель №25518, класс МПК Е 02 D 1/00, опубликовано в Бюл. №21 10.10.2002 г.
Способ определения степени морозного пучения грунта в зависимости от давления фундамента на грунт, характеризующийся тем, что испытуемый грунт, по меньшей мере, три образца помещают в устройство для определения величины морозного пучения от давления, размещенное в холодильной камере, где промораживание проводят при заданной скорости, при этом в первом образце грунта создают давление p1, равное среднему давлению от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона, во втором образце грунта измеряют максимальное давление пучения pf(max) с учетом сжимаемости динамометра и образца грунта, в третьем образце грунта создают давление р2, большее, чем от собственного веса грунта при расчетной глубине сезонного промерзания для конкретного региона, но не менее 50 кПа и по результатам измерений находят pf(max), 
и 
а по значениям p1, pf(max) и 
находят постоянный параметр грунта m1, и по значениям р2, pf(max) и 
- значение m2, и их среднее фактическое значение m, затем находят фактическое значение 
от pi по формуле
где 
- степень пучинистости грунта при давлении рi, кПа;
pi - изменяющееся давление от фундамента на пучащийся слой грунта по глубине промерзания p1<pi<pf(max);
p1 - среднее давление на грунт от собственного веса для расчетной глубины сезонного промерзания для конкретного региона, кПа;
р2 - давление на испытуемый образец грунта, при значениях не менее 50 кПа;
pf(max) - максимальное давление морозного пучения, с учетом сжатия динамометра и грунта в образце в процессе его промерзания, кПа;
m - постоянный параметр грунта, определяемый экспериментально, зависящий от физических и теплофизических свойств грунта и условий промерзания.
