CC BY
247
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТА НА ПОДПОРНЫЕ СТЕНЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
FROSTY UPHEAVAL FORCING ON RELIEVING WALLS OF HYDRAULIC FACILITIES
E. В. Максименко, C.H. Левачев E. V. Maksimenko, S.N. Levachev
ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (НИИЭС)
Автором проведён обзор существующих методов расчёта взаимодействия моро-зоопасных грунтов с сооружениями. Был сделан вывод о наиболее применимой методике для подпорных конструкций, которая была проверена расчётом контрфорсной стены камеры шлюза.
Author reviewed existing analysis of interaction of frosty-dangerous soils with structures. Conclusion was done about the most applicable method for supporting constructions which was tested by analysis of lock-chamber's buttress wall.
Весной 2003 года было зафиксировано аварийное состояние на шлюзе №10 канала им. Москвы. Произошло смещение верха 3-ей секции левой стороны в камеру на 55 мм. После вскрытия обратной засыпки в контрфорсах обнаружены трещины на разных уровнях с раскрытием до 5 см и обрыв арматуры. Обследованием состояния бетона лицевой стены контрфорсных секций камеры зафиксированы два основных типа трещин:
• вертикальных, проходящих, в основном, посередине между контрфорсами; ширина их раскрытия составляет от 0,2 до 4,0 мм для разных секций;
• горизонтальных, которые просматриваются на отдельных участках в двух и даже трех уровнях;
Одной из возможных причин разрушения контрфорсной подпорной конструкции может быть морозное пучение водонасыщенного суглинистого грунта обратной засыпки при его сезонном промерзании.
Автором проведён обзор исследований и существующих методик расчёта воздействия морозного пучения грунта на сооружения. Было выявлено, что этот вопрос всесторонне изучался в основном на примере отдельностоящих фундаментов, а воздействие на подпорные стены освещено не полностью; приводятся методики определения касательных сил морозного пучения, действующих по боковой поверхности фундаментов, при этом дополнительное боковое давление от воздействия нормальных сил при промерзании грунта практически не изучено.
Пучинистые грунты применительно к расчётам фундаментов характеризуются [3]:
• относительной деформацией морозного пучения sjh - отношением подъема не-нагруженной поверхности грунта к толщине промерзающего слоя;
• давлением морозного пучения pju, нормальным к подошве фундамента;
• удельным значением т^ касательной силы морозного пучения, действующей вдоль боковой поверхности фундамента. При этом обеспечение устойчивости и прочности зданий и сооружений, возводимых на морозоопасных основаниях, предопределяется решением следующих задач:
1. назначением глубины заложения фундамента с учетом предупреждения возможного промерзания и пучения грунтов основания под подошвой фундамента (для устранения нормальных сил морозного пучения);
2. проверкой устойчивости и прочности фундамента на действие касательных сил пучения, возникающих в процессе промерзания и пучения грунта у боковой поверхности фундамента
3. при заложении фундаментов выше расчетной глубины промерзания пучини-стых грунтов - расчетом на действие касательных и нормальных сил морозного пучения грунтов.
В случае с подпорной конструкцией шлюза №10 для исключения дополнительного бокового давления от нормальных сил морозного пучения в зоне промерзания при проектировании было предусмотрено устройство песчаного слоя толщиной 70 см, что составляет две трети промерзающей толщи грунта. В соответствии с исследованиями многих авторов [2] в последней трети промерзающей толщи силы морозного пучения практически отсутствуют из-за слабого льдообразования в этой зоне, т. к. температурой грунта здесь близка к 0 "С. Таким образом, данное конструктивное решение должно было исключить воздействие морозного пучения грунта. При вскрытии обратной засыпки аварийной секции установлено, что песчаный слой в зоне промерзания отсутствует, что могло вызвать развитие нормальных сил морозного пучения, не учтённых при проектировании. Кроме того, в данном случае возможно возникновение и касательных сил морозного пучения, действующих на тыловую грань лицевой плиты контрфорсной стенки.
Указанные воздействия должны устанавливаться на основе опытных данных, а при отсутствии таковых их допускается определять по физическим характеристикам грунтов. Обзор справочно-нормативных документов выявил существующие методы по определению указанных воздействий на сооружения (основанные на результатах экспериментов), описание которых приводится ниже.
В справочной литературе [4 и 5] даются рекомендации по определению т^, а также условия обеспечения устойчивости и прочности фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов; при этом отсутствуют данные по определению и учёту р^ . При неизбежности промерзания пучинистого грунта под подошвой фундамента приводится рекомендация [7] по проверке устойчивости фундамента на совместное действие касательных и нормальных сил морозного пучения, а также рекомендация по определению приближённого значения р^ в зависимости от степени пучинистости грунта и от размеров площади подошвы фундамента. По рекомендациям [6] можно определить расчётное значение удельной касательной силы морозного пучения т-^ в зависимости от материала и состояния поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта, а также от степени морозоопасности грунта; кроме того даётся полученная на основании опытных данных методика для определения расчётной нормальной силы пучения р^ в зависимости от площади и формы подошвы фундамента, а также мощности слоя грунта промерзающего под фундаментом, и сопротивления смещению (сдвигу) мерзлого грунта, зависящего в свою очередь от скорости пучения и минимальной температуры промерзающего грунта под подошвой фундамента.
Было выявлено, что этот вопрос всесторонне изучался в основном на примере от-дельностоящих фундаментов, а воздействие на подпорные стены освещено не полностью;
В своде правил [5], разработанном НИИОСП, указывается, что при определении бокового давления грунта на подпорные стены и ограждения котлованов следует учитывать дополнительное давление, вызванное морозным пучением грунтов, но не указан метод его определения. При расчёте подпорных стен определение касательных сил морозного пучения, и их воздействие на сооружение можно производить по указанным выше справочным и нормативным документам, а при воздействии нормальных сил существующие рекомендации не вполне соответствуют условиям работы подпорных стен. Так, зависимости для определения нормального давления морозного пучения грунта получены на основании экспериментальных данных для условий воздействия на горизонтальную плоскость подошвы отдельностоящего фундамента [6]. Воздействие в данном случае в значительной степени определяется площадью подошвы фундамента (и глубиной промерзания под подошвой). Кроме того сама промерзающая толща под опытным фундаментом и за его пределами находится в различных напряжённо-деформируемых состояниях, что и обуславливает величину нормального давления, получаемого в данных экспериментах. Таким образом, приведённые зависимости для определения нормального давления не соответствуют условиям взаимодействия подпорной стены с пучинистым грунтом при его промерзании за ней. Нормальные силы морозного пучения на подпорные стены (дополнительное боковое давление грунта при промерзании слоя грунта за стеной) могут достигать значительной величины (по сравнению с касательными силами) и являются основным фактором, который необходимо учитывать при расчёте их прочности и устойчивости. Так на основании многочисленных экспериментов [2 и 6], проведённых на опытных фундаментах установлено, что величина касательных сил пучения преимущественно не превышает 0,1 -
0,2 МПа (1 - 2 кгс/см2), в то время как величина сил пучения, нормальных к подошве
2
фундамента, может достигать 0,5 - 1 МПа (5 - 10 кгс/см , а в отдельных случаях и до
2
нескольких десятков кгс/см ). Таким образом, для получения достоверных данных о величине нормальных сил морозного пучения на подпорные стены необходимо проведение исследований в полевых или лабораторных условиях.
При определении величины нормального давления морозного пучения на подошву отдельностоящего фундамента проводятся испытания в течение нескольких зим на площадке объекта строительства; наиболее достоверными результатами считаются только опытные данные, получаемые на установках без возможности смещения опытного фундамента [2]. При этом установлено, что лабораторные исследования не дают объективной оценки величины воздействия из-за значительных различий в условиях проведения эксперимента по сравнению с натурными условиями; получаемые лабораторные данные значительно отличаются от данных полевых исследований отдельно-стоящих фундаментов.
В практике исследований нет примеров применения опытных подпорных стен на строительных площадках для определения бокового давления на них от морозного пучения грунтов, что заставляет задуматься о методах прогнозирования давления с помощью лабораторных испытаний. Схема определения нормального давления в лабораторных условиях довольно хорошо моделирует механизм воздействия давления морозного пучения на подпорные стены. Установка для проведения эксперимента [1] позволяет определять деформации грунта при промерзании и оттаивании в требуемом температурно-влажностном режиме, а также давление морозного пучения грунта. Ус-
тановка состоит из обоймы для грунта диаметром 112.8 мм и высотой 150 мм, поддона с водой для промораживания грунта с подтоком воды, устройств для регулирования температуры воды в поддоне и измерения деформаций, температуры и давления морозного пучения грунта - мессдозами, жёстко вмонтированными в крышку, моделирующую участок подпорной стены. Для обеспечения одномерного промерзания грунта установка со всех сторон, кроме верха, изолируется слоем пенопласта и помещается в климатическую камеру. Данной установкой моделируется воздействие морозного пучения грунта на недеформирующуюся (абсолютно жёсткую) подпорную стену.
На основании исследований давления морозного пучения грунтов в лаборатории и в натурных условиях (на реальной подпорной стене) [1] получены результаты, показавшие хорошую сходимость (различие не более чем на 10 %). Таким образом, для прогнозирования нормального давления морозного пучения на подпорные стены можно проводить лабораторные исследования. В отличие от лабораторных исследований для фундаментов данные исследования позволяют получать достоверную величину бокового давления на подпорные стены, что значительно упрощает и ускоряет определение воздействия морозного пучения грунта при проведении изысканий для строительства данных объектов.
Следует отметить, что аналитические решения оценки давления пучения на подпорные стены пока не разработаны. Одно из приближённых решений такой задачи, полученное специалистами НИИОСП на основании анализа данных лабораторных и полевых исследований, основано на принципе сжимаемости талого грунта в зоне развития сил морозного пучения при промерзании обратной засыпки. Полученная расчётная зависимость позволяет прогнозировать нормальное давление морозного пучения грунта на подпорные стены на основании полученной в лабораторных условиях, или определённой расчётом по нормативным документам, относительной деформации морозного пучения грунта.
Согласно данному решению предполагается, что при жёсткой (недеформируемой) стене увеличение в объёме влажного грунта при его промерзании вызывает усадку уплотнения талого грунта, соприкасающегося с промерзающей толщей. При этом горизонтальное давление морозного пучения грунта на контакте грунта и подпорной стены можно определить по формуле:
^ _ 1.0.5-(1 + ей+ е~-(1 + ей\£fh)J-df '
где hf - деформация морозного пучения грунта, м; ET - модуль деформации талого грунта, МПа; ¡3 - коэффициент, зависящий от коэффициента Пуассона; df - глубина промерзания грунта, м (толщина промерзающей толщи грунта); s^ - относительная деформация морозного пучения;
eth - коэффициент пористости грунта до начала пучения в талом состоянии.
Значение hf определяется расчётным путём, исходя из глубины промерзания грунта за
стеной конструкции и степени пучинистости грунта, и представляет собой величину морозного пучения, м, на которую увеличилась бы толща промерзающего грунта при отсутствии ограничений в виде подпорной стены и талого грунта.
Полученные таким путём значения горизонтального давления морозного пучения являются максимально возможными при промерзании грунта за неподвижной
(недеформирующейся) подпорной стеной. В реальных условиях подпорные стены деформируются, отклоняясь от вертикали и выгибаясь. Вычисляя деформации стены, можно определить возникающее при этих деформациях давление морозного пучения на подпорную стену.
В настоящей статье приводятся результаты расчёта трещиностойкости элементов (производится обоснование разрушения) ж/б элементов контрфорсной подпорной стены камеры шлюза №10 от воздействия нормальных сил морозного пучения грунта обратной засыпки, определяемого на основании указанной выше расчётной зависимости. При определении горизонтального давления морозного пучения обратной засыпки шлюза №10 с учётом реальных физико-механических характеристик грунтов, полученных на основании инженерно-геологических изысканий, определено значение давления 10.3 кг/см2 (ст = 102.726 да/.м2). Данное давление принималось по всей высоте
обратной засыпки из морозоопасного грунта (т. к. грунт находится в водонасыщенном состоянии).
При определении усилий в плитах между контрфорсами расчёт производился по трём расчётным схемам:
1. плита, заделанная по трём сторонам и свободно опёртая по четвёртой (рис. 1);
2. плита, заделанная по двум сторонам и по двум сторонам свободно опёртая;
3. плита среднего пролёта пятипролётной неразрезной балки;
Эпюра давления, т/м!
Ц
Ш107.726
—*
5
б 7 3 8 9
2
}
С
Эпюра Мт тхм. в сечении
31.35
27.37
¿5.67
Эпюра МЙ,, тхм, в сечении у-у
53.75
53.75
28.21
Рис. 1. Расчётная схема и результаты определения изгибающих моментов в плите от давления морозного пучения грунта
На основе сопоставления усилий в плите, полученных по трём вариантам расчёта, был сделан вывод о наиболее вероятной величине усилий от сил морозного пучения грунта. При этом можно сделать следующие выводы:
• значения изгибающих моментов в точках плиты от давления морозного пучения грунта на порядок больше, чем при действии бокового давления грунта;
• значения изгибающих моментов относительно вертикальной оси в центральной части по всей высоте плиты превышают значение момента трещинообра-зования Мтр, следовательно, в центре плиты возможно образование вертикальной трещины, распространяющейся по всей высоте, что совпадает с результатами обследований;
• значения изгибающих моментов относительно горизонтальной оси (в центральной части плиты) на каждом расчётном уровне превышают значение момента трещинообразования Мтр, следовательно, возможно образование горизонтальных трещин на нескольких уровнях, что подтверждается результатами обследований.
Также производилась проверка контрфорсов по образованию трещин, нормальных к оси их тыловой грани, при действии нормальных сил морозного пучения. Расчётная схема контрфорса представлена в виде тавровой балки (рис. 2) переменного сечения, заделанной внизу и нагруженной распределённой нагрузкой (рис. 3). Для расчёта выделяется участок контрфорса на отметках 113.0-119.5 м. На этом участке лицевая плита контрфорсной стены воспринимает воздействие от сил морозного пучения грунта (о-^ = 102.726 т/м2), которое передаётся на контрфорсы в виде равномерно распределённой по высоте нагрузки (<= 256.815 т/м). Ниже отметки 113.0 м
жесткость контрфорса значительно возрастает, поэтому на отметке 113.0 м в расчётной схеме принимается заделка. В расчёте не учитывается активное давление грунта на лицевую стенку т.к. его интенсивность на порядок меньше, чем интенсивность давления морозного пучения.
чге а-1 !а, 1-1,0 сп'1
А-1 (Аг,=5,65 О**)
I
ЬФ25 А-1 от7/
гпъ А-11А,>-9,В2 смг/
Щ
Рис. 2. Геометрические характеристики и схема армирования сечения 1-1
Рис. 3. Схема к расчёту трещиностойкости контрфорсов
При сопоставлении эпюр изгибающих моментов и моментов трещинообразования по высоте контрфорса (рис. 3) был сделан вывод, что контрфорс при действии сил морозного пучения является нетрещиностойким в каждом сечении ниже 1 мот верха расчётного участка, что подтверждается результатами обследования при раскопке контрфорсов.
С целью оценки величины возможной деформации грунта при его морозном пучении и, как следствие, уменьшения давления морозного пучения грунта, производился расчёт прогибов в пролёте лицевой плиты между контрфорсами как плиты, работающей в двух направлениях, и как балочной плиты. Полученные по двум расчётным схемам прогибы близки по величине, при этом примерная величина прогиба в центре лицевой плиты составляет 4 мм. Данные деформации плиты при действии на конструкцию сил морозного пучения на порядок меньше деформации морозного пучения грунта при его свободном расширении (^ = 6.7 См), следовательно, при деформировании лицевой плиты воздействие морозного пучения на контрфорсы практически не уменьшается. Также наблюдения за горизонтальным перемещением верха конструкции позволяют судить о незначительных отклонениях контрфорсных стен от засыпки в сторону камеры. Таким образом, был сделан вывод о незначительном влиянии деформаций контрфорсной конструкции на величину давления от морозного пучения грунта, которое действует на конструкцию. Следовательно, указанная выше величина воздействия реализуется практически полностью.
В проведённом исследовании доказано появление трещин в элементах подпорной стены шлюза №10 от воздействия морозного пучения, определённого по указанной выше расчётной зависимости; зоны и характер трещинообразования соответствуют результатам натурного обследования железобетонной конструкции. На основании этого можно сделать вывод, что данный метод применим для прогнозирования воздействия морозного пучения на подпорные стены гидротехнических объектов.
Литература
1. Алексеев А. Г. Методика исследования давления, действующего на подпорные стены при промерзании-оттаивании грунта // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. №3, с. 15-18.
2. Киселев М. Ф. Предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. Л.: Стройиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1985.
3. Основания зданий и сооружений // СНиП 2.02.01-83*. М., 1995
4. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). М.: Стройиздат, 1986.
5. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений // СП 50-101-2004. М., 2005.
6. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. М.: Стройиздат, 1986.
7. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. М.: Стройиздат, 1979.
Ключевые слова: морозное пучение грунта, метод расчёта, подпорная стена, касательная сила, нормальное давление, промерзание, лабораторные исследования, относительная деформация, контрфорс.
Keywords: frosty upheaval, analysis, relieving wall, tangential force, normal pressure, frost penetration, laboratory research, relative deformation, buttress.
Почтовый адрес (рабочий): г. Москва, Строительный проезд, д. 7а, корп. 29, ПЦВЭС.
Телефон: (495)492-71-12, (926)576-87-50.
e-mail: evgeniymaxi@rambler.ru
Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ».
