Взаимодействие промерзающего грунта с цементно-песчаным раствором буроопускной сваи

Введение

Одним из самых распространенных и универсальных способов устройства фундаментов на многолетнемерзлых грунтах является буроопускной способ погружения свай. Для снижения касательных сил морозного пучения пространство между поверхностью сваи и стенкой лидерной скважины от острия сваи до подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания заполняется раствором, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания – непучинистым песчаным грунтом [1]. В большинстве случаев такая технология усложняет процесс устройства буроопускной сваи из-за необходимости точного расчета объема раствора, заливаемого в скважину, необходимости наличия на площадке непучинистого песка, трудоемкости процесса по засыпке песка в узкое пространство между сваей и грунтом. Существенным упрощением является заполнение пазухи между сваей и лидерной скважиной раствором на всю высоту сваи. Однако в настоящее время отсутствует методика расчета буроопускных свай на действие касательных сил морозного пучения при промерзании цементно-песчаного раствора.

Для оценки касательных сил морозного пучения и разработки методики расчета устойчивости буроопускных свай при их действии проведен комплекс лабораторных испытаний, моделирующих процессы, происходящие в грунтах в холодный и теплый периоды устройства свай.

Методика проведения лабораторных экспериментов

Цементно-песчаный раствор в отличие от грунтовых растворов, которые применялись ранее, имеет в составе связующее вещество – цемент. Это означает, что для набора прочности раствора требуется длительное выдерживание при благоприятных для твердения температурах и влажности. В зависимости от начальной температуры грунта, раствора и окружающей среды, а также от диаметра сваи и скважины допустимо предположить два возможных сценария замерзания/твердения ЦПР.

Первый реализуется при незначительном превышении диаметра скважины над диаметром сваи в промерзших грунтах сезонного промерзания-оттаивания в холодный период. Из-за чего раствор остывает быстрее, чем успевает набрать высокие прочностные характеристики. Гидратация цемента не происходит, и раствор замерзает. В результате вместо затвердевшего цементно-песчаного камня образуется замерзший цементно-песчаный камень. Несвязанная вода при этом обеспечивает смерзание по контактным поверхностям цементно-песчаного камня со сваей и природным грунтом. В дальнейшем будем рассматривать ЦПР в данном сценарии как замерзший.

Второй сценарий реализуется при устройстве сваи в благоприятных условиях для твердения раствора. Это теплый период года, когда температура воздуха не опускается ниже 5 °C (минимальная температура, при которой рассматривается набор прочности раствора) и (или) значительное превышение диаметра скважины над диаметром сваи, позволяющее за счет тепловыделения выдержать минимально требуемую для твердения температуру. Например, при использовании сваи из стальной трубы, для которой раствором заполняется и пространство между поверхностью сваи и стенкой лидерной скважины, а также внутреннее пространство сваи, значительное количество внесенного раствором тепла позволяет создать благоприятные условия твердения. В дальнейшем будем рассматривать ЦПР в данном сценарии как затвердевший.

На рис. 1 представлены описанные сценарии в графическом виде с описанием процессов, сопутствующих устройству буроопускной сваи в холодный и теплый периоды года.

Исходя из принятых сценариев, лабораторные исследования проводились для трех возможных контактов:

• грунт – замерзший цементно-песчаный раствор (Г-ЗР);
• грунт – затвердевший цементно-песчаный раствор (Г-ТР);
• фундамент – замерзший цементно-песчаный раствор (Ф-ЗР).

Контакт фундамента и затвердевшего цементно-песчаного раствора в данной работе не рассматривался, так как пучение затвердевшего раствора невозможно.

Изучением методов оценки устойчивости фундамента при воздействии сил морозного пучения занимался ряд ученых начиная с 30-х годов XX века [2–4]. Данный вопрос актуален и по сей день [5][6]. В основе метода определения касательных сил пучения грунта, описанного в ГОСТ Р 56726-2015 «Грунты. Метод лабораторного определения удельной касательной силы морозного пучения» [7], лежит положение о равенстве касательных сил пучения и так называемого устойчивого сопротивления сдвигу мерзлого грунта относительно модели фундамента (τ_fh = τ_ус).

Испытания проводились методом одноплоскостного среза по поверхности смерзания с постоянной скоростью для глинистых грунтов при различных показателях текучести, при двух вариантах подготовки образцов цементно-песчаного раствора (замерзший, затвердевший), трех значениях температуры (–1, –2, –6 °C), для бетонного исполнения свай. Всего выполнено 63 испытания.

Подбор представительного ряда глинистых грунтов различной консистенции (показатель текучести менее 0,25; от 0,25 до 0,5 и более 0,5) осуществлялся в соответствии с таблицей 7.8 СП 25.13330.2020 [1].

Результаты лабораторных исследований и анализ полученных данных

В ходе подготовки образцов замерзшего раствора наблюдалась миграция воды из раствора в мерзлый грунт, вызывающая деформации образца грунта из-за растепления, водонасыщения и повторного замерзания грунта. При этом у всех грунтов показатель текучести I_L значительно превысил 0,5, что не привело к единообразию результатов.

Для образцов затвердевшего раствора при продолжительном выдерживании отмечалась миграция воды в направление раствора из грунта, а также аналогичные значения касательных сил морозного пучения при одинаковых температурах, из чего было принято решение свести результаты испытаний образцов затвердевшего раствора с грунтами с различными показателями текучести к единому грунту с I_L < 0,5. Коэффициент вариации при этом меньше 0,3, что говорит о правомерности данных действий [8].

При подготовке образцов для испытаний «фундамент – затвердевший цементно-песчаный раствор» отмечено, что при замерзании цементно-песчаного раствора процесса пучения не возникало.

Расчетные значения касательных сил пучения с учетом доверительной вероятности α = 0,95 приведены в табл. 1. Зависимость касательных сил морозного пучения τ_fh от температуры испытаний Т приведена на рис. 2.

Разработка методики расчета

Расчет фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие силы морозного пучения производился с использованием лабораторных испытаний и разделением слоя сезонного промерзания оттаивания на участки согласно разделу 7.4 СП 25.13330.2020 [1]:

• от поверхности грунта до глубины, на которой зафиксирована температура –2 °C;
• мощность грунта в диапазоне температур от –1 до –2 °C;
• от нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания до глубины, на которой зафиксирована температура –1 °C.

С целью определения участков слоя сезонного промерзания-оттаивания с различной отрицательной температурой в рамках работы выполнены теплотехнические расчеты в программном комплексе. Для определения распределения температуры и глубины слоя сезонного промерзания-оттаивания выбраны населенные пункты с различной среднегодовой температурой (T_{ср. г}.) от –2 до –11 °C. Краткая информация о населенных пунктах приведена в табл. 2.

Гистограммы значений мощностей слоев сезонного промерзания-оттаивания грунта представлены на рис. 3.

Наибольшие участки в диапазонах расчетных температур наблюдаются в марте. В районах, где среднегодовая температура ниже 6 °C, максимальное значение касательных сил морозного пучения прогнозируется в апреле, но к середине марта вся мощность сезонного промерзания-оттаивания находится при температуре не выше –0,8 °C.

Позже ожидается только повышение сил смерзания уже вспучившегося грунта с поверхностью сваи и отсутствие дальнейшего пучения грунта при отсутствии притока воды.

Отношение мощностей участков слоя сезонного промерзания-оттаивания к полной мощности слоя сезонного промерзания-оттаивания для диапазонов температур ниже –2 °C; от –2 до –1 °C и выше –1 °C представлены на рис. 4–6 в процентах.

По данным графикам можно определить, какая процентная часть отведена каждому участку распределения температуры от полной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта.

В зависимости от периода возведения свай и глубины сезонного промерзания-оттаивания рекомендуется производить расчет касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой 7.30 СП 25.13330.2020 [1] по контакту «раствор – грунт».

Значения удельных касательных сил пучения при глубине сезонного промерзания-оттаивания 1, 2 и 3 метра определялись путем сложения произведения долей глубины сезонного промерзания-оттаивания на касательные силы морозного пучения, полученные в лабораторных исследованиях. При использовании процентов мощностей участков, представленных на рис. 4–6, определение значения τ_fh осуществляется по формуле:

(∆_(<-2 °C)× τ_{fh (-6)}+ ∆_{(-2-(-1) °C)}× τ_{fh (-2)} + ∆_(>-1 °C) τ_{fh (-1)})/100 %, (1)

где τ_fh – удельные касательные силы пучения, кПа, при температуре испытаний T, °C, принятые по табл. 1 и 2;

∆ – процент мощности участка, %, в соответствующем диапазоне температур hi.

Расчетные значения удельных касательных сил пучения при глубине сезонного промерзания-оттаивания 1, 2 и 3 метра приведены в табл. 3.

Выводы

При устройстве буроопускных свай с использованием цементно-песчаного раствора для заполнения пространства между поверхностью сваи и стенкой лидерной скважины в многолетнемерзлых грунтах могут возникать касательные силы морозного пучения по контакту «раствор – грунт», зависящие от периода года устройства свай.

Лабораторные исследования выявили, что в неблагоприятных условиях для твердения раствора (зимний период) касательные силы морозного пучения выше, чем в благоприятных (летний период). Учитывая это, расчеты устойчивости фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения необходимо проводить для зимнего периода устройства свай.

Теплотехнические расчеты для трех интервалов консистенций глинистого грунта позволили определить зависимость глубины сезонного промерзания-оттаивания от среднегодовой температуры территории строительства, а также отношение мощностей участков слоя сезонного промерзания-оттаивания к полной мощности слоя сезонного промерзания-оттаивания для диапазонов температур ниже –2 °C; от –2 до –1 °C; от –1 °C и выше.

На основании отношения мощностей участков с различной температурой предложена методика для определения удельной касательной силы морозного пучения, действующей на сваю в слое сезонного промерзания-оттаивания, при использовании цементно-песчаного раствора в качестве заполнения пространства между поверхностью сваи и стенкой лидерной скважины.

В неблагоприятных условиях для твердения ожидаемая прочность цементно-песчаного раствора на контакте с грунтом и фундаментом ниже, чем у раствора, твердеющего в благоприятных условиях, из-за чего возникает необходимость при расчете устойчивости и прочности на воздействие силы морозного пучения проверять цементно-песчаный раствор на разрыв в уровне сезонного промерзания-оттаивания и полный отрыв цементно-песчаной обоймы от сваи.

Следует отметить, что при проектировании необходимо также учитывать конструкцию сваи и ее геометрические параметры, которые могут влиять на срок замерзания раствора после устройства свай. Срок нахождения раствора при положительной температуре следует определять теплотехническим расчетом.