Особенностью строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах является применение, как правило, свайных фундаментов. При оттаивании мерзлых грунтов грунт около свай как бы нависает на них, на боковой поверхности сваи возникает дополнительная сила, направленная вертикально вниз [1]. Данный процесс следует учитывать при расчете несущей способности свай. Однако механизм возникновения негативной силы при оттаивании до сих пор полноценно не изучен. Один из основных вопросов заключается в определении условий, при которых негативная сила проявляется: относится это только для случаев, когда свая упирается в скалу, или ежегодное промерзание и оттаивание деятельного слоя также нагружает сваю?

Из-за недостатка исследований по данной теме в настоящий момент каждая проектная организация сама определяет необходимость учета негативных сил от слоя сезонного оттаивания при расчете несущей способности свайного фундамента. С одной стороны, учет негативных сил приводит к увеличению надежности принятых конструктивных решений, с другой стороны, он может привести к нерациональному удорожанию свайного фундамента.

Целью работы является получение достаточного количества теоретических и экспериментальных данных, необходимых для разработки рекомендаций по учету негативных сил, возникающих на боковой поверхности свайного фундамента из металлических труб при сезонном оттаивании песчаного грунта при проектировании фундаментов на многолетнемерзлых грунтах.

В рамках исследований проведены лабораторные лотковые испытания моделей металлических свай разной длины в песчаном основании. Лотки с мерзлым грунтом оборудованы гидравлическими домкратами для проведения испытаний статической вдавливающей нагрузкой, датчиками для измерения температуры грунта, весами для фиксации величины негативной силы, индикаторами часового типа для измерения перемещений. Для обеспечения возможности контролируемого изменения температуры грунта испытания проведены в климатической камере.

Испытания состояли из трех этапов: подготовительные работы, лотковые испытания для определения несущей способности свай, лотковые испытания для определения негативных сил. Для испытаний принят линейный масштаб 1:10.

Испытания проведены для двух типов мерзлых грунтов (песчаного средней степени водонасыщения и песчаного водонасыщенного с различными физическими и теплофизическими свойствами) с целью определения степени влияния свойств грунта на возникновение негативных сил.

На первом этапе проведены:

1. Комплекс сопутствующих лабораторных исследований, включающих:

– проведение испытаний по определению физических свойств грунтов (плотность грунта, влажность грунта) [2];

– проведение испытаний по определению теплофизических свойств грунтов (теплопроводность грунта в талом и мерзлом состояниях, объемная теплоемкость грунта в талом и мерзлом состояниях, температура фазового перехода грунта) [3].

2. Теплотехнические расчеты в численном программном комплексе с целью определения времени оттаивания грунта в лотке.

3. Теплотехнические расчеты с климатическими условиями г. Якутска с песчаным основанием и с учетом тренда глобального изменения климата.

На втором этапе определялась несущая способность свайного фундамента по боковой поверхности согласно [4]. Для того чтобы исключить работу сваи под острием на дне лотка предусмотрена полая гильза. Испытания проведены в морозильной камере при температуре грунта и воздуха минус 2 °C.

В рамках работы проведено два лотковых испытания по определению несущей способности свайного фундамента. Первое – с металлической сваей Ø 57 мм длиной 0,5 м в песчаном грунте среднего водонасыщения, второе – с металлической сваей Ø 57 мм длиной 0,5 м в песчаном грунте полного водонасыщения. Нагрузка на испытуемые сваи создавалась гидравлическим домкратом. На каждой ступени нагружения снимались отчеты с датчиков часового типа для измерения деформаций. Испытания закончились при достижении срыва сваи.

На третьем этапе определялась величина негативных сил. В лотках с грунтом устраивались модели свай различной длины. После промерзания грунта к верху свай присоединялись весы, которые в свою очередь прикреплялись к неподвижной раме. Боковые стороны лотка и его дно теплоизолировались. Затем холодильная камера отключалась. Предварительно замороженный грунт до температуры минус 2 °C начинал оттаивать сверху вниз. В случае, если при оттаивании верхнего слоя грунта возникают негативные силы на боковую поверхность свай, пригруз нависшего грунта регистрировали бы весы. Теплоизоляция боковых сторон лотка и его дна выполнена с целью моделирования процесса сезонного оттаивания, при котором оттаивание происходит сверху вниз. В рамках работы проведено два лотковых испытания по определению негативных сил. Первое – с металлическими сваями в песчаном грунте средней степени водонасыщения, второе – с металлическими сваями в песчаном водонасыщенном грунте. В каждом испытании использовались четыре металлических сваи с одинаковым диаметром – Ø 57 мм, но разной длиной – 0,3; 0,5; 0,7 и 0,9 м. В процессе испытания измерялись деформации сваи. Под нижними концами свай устраивались полости для исключения работы острия свай.

Принципиальная схема лотка для проведения испытаний по определению негативной силы представлена на рис. 1.

Результаты испытаний по определению физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов представлены в табл. 1

В ходе подготовки лотков для проведения лотковых испытаний получилось достичь требуемой степени водонасыщения при одинаковой плотности.

Одной из задач в рамках выполнения работы стало проведение теплотехнического расчета для определения времени и скорости оттаивания грунта. Расчеты выполнены в численном программном комплексе Борей 3D. Выполнено три расчета для различных начальных условий:

– расчет с условиями, аналогичными лотковому испытанию с песком среднего водонасыщения;

– расчет с условиями, аналогичными лотковому испытанию с песком полного водонасыщения;

– расчет с климатическими условиями г. Якутска [5] с песчаным основанием и трендом на глобальное изменение климата на территории России с применением ансамбля глобальных климатических моделей CMIP6 по сценарию SSP5-8.5 [6].

Расчет с песком среднего водонасыщения выполнялся на период 7 дней. Интервал выдачи результатов – 1 час. Результаты теплотехнического расчета представлены в виде графика распределения температуры грунтов по глубине для различных моментов времени (рис. 2).

Согласно расчету, при постоянной положительной температуре воздуха 24 °C достаточно:

– 30 часов для оттаивания 0,3 м грунта;

– 63 часа для оттаивания 0,5 м грунта;

– 100 часов для оттаивания 0,7 м грунта;

– 145 часов для оттаивания 0,9 м грунта.

Для полного оттаивания одного метра грунта необходимо 168 часов.

Для оценки влияния негативной силы на несущую способность основания на примере реального объекта проведен численный теплотехнический расчет в условиях глобального потепления для города Якутска. Исходные данные для выполнения теплотехнического расчета принимались по действующим нормативным документам, изыскательским и проектным данным.

Среднемесячные значения скорости ветра и высоты снежного покрова приняты по архивным данным постоянными с начального момента моделирования и приведены в табл. 2.

В качестве расчетной области принят трехмерный грунтовый массив глубиной 100 м и размерами в плане 210,0 × 200,0 м. Шаг сетки принят адаптивным от 0,4 × 0,4 × 0,1 до 2,0 × 2,0 × 2,0 м.

Общий вид созданной модели и расположение слоев грунтовых элементов в ней представлены на рис. 3.

Расчет с условиями г. Якутска с песчаным основанием и трендом на глобальное изменение климата выполнялся на период 70 лет. Интервал выдачи результатов – 1 месяц. Граничные условия (ГУ) модели приведены в табл. 3.

Результаты теплотехнического расчета представлены в виде графика распределения температуры грунтов по глубине для различных моментов времени (рис. 4).

Согласно расчету, с учетом тренда будущих изменений климата на территории г. Якутска кровля многолетнемерзлых грунтов опускается:

– на 3 м за 31 год;

– на 5 м за 48 лет;

– на 7 м за 59 лет;

– на 9 м за 70 лет.

Испытания по определению несущей способности свай по грунту закончились, когда был достигнут срыв сваи. Общий вид экспериментального лотка в процессе проведения испытаний приведен на рис. 5. На рис. 6 представлены графики зависимости осадки сваи от нагрузки.

В результате проведенных лотковых испытаний определено, что для металлической сваи диаметром 57 мм и рабочей длиной 0,5 м при температуре минус 2 °C несущая способность по боковой поверхности составляет 18 кН в мерзлом песке среднего водонасыщения и 14 кН в мерзлом песке полного водонасыщения.

Согласно результатам аналитического расчета несущей способности по СП 25.13330.2020 [7], несущая способность сваи в описанных выше условиях по боковой поверхности составляет 12,6 кН в мерзлом песке независимо от его влажности.

Испытания по определению негативной силы закончились при полном оттаивании грунтов. Общий вид экспериментального лотка в процессе проведения испытаний приведен на рис. 7.

По результатам испытаний негативная сила не зафиксирована. Результаты замеров температуры грунтов в центре лотка с песком среднего водонасыщения представлены на рис. 8.

Как видно из рис. 2 и 8, графики изменения температуры по расчету и фактическим замерам сходятся. Незначительные расхождения связаны с более низкой начальной температурой грунта при лотковых испытаниях.

В процессе оттаивания грунта уменьшается несущая способность свайного фундамента (удерживающая сила). Если допустить, что при этом возникают негативные силы, то через некоторое время несущая способность становится меньше негативной силы и наступает первое предельное состояние.

С целью детального анализа соотношения удерживающих и нагружающих сил проведены расчеты несущей способности свайного фундамента в различные промежутки времени, а также расчеты негативных сил трения, возникающие по боковой поверхности свайного фундамента при оттаивании его основания.

Для расчета приняты сваи в постепенно оттаивающем мелком песке размерами 0,4 × 0,4 м длиной 9, 7, 5 и 3 м. Расчетная схема представлена на рис. 9.

В табл. 4 указано отношение несущей способности сваи с учетом негативной силы к несущей способности сваи без учета негативной силы в различные промежутки времени для свай разной длины.

Расчет показывает, что несущая способность полностью исчерпывается через разные промежутки времени от 20 до 55 лет в зависимости от рабочей длины сваи от 3 до 9 м соответственно.

График изменения несущей способности во времени представлен на рис. 10.

Согласно результатам расчета, несущая способность сваи по боковой поверхности становится равна негативной силе:

– на 20-й год для сваи длиной 3 м;

– на 30-й год для сваи длиной 5 м;

– на 40-й год для сваи длиной 7 м;

– на 50-й год для сваи длиной 9 м.

Допустим, срок службы здания – 30 лет, нагрузка на сваю – 350 кН, свайное поле из 100 свай сечением 0,4 × 0,4 м. В таком случае для нормальной эксплуатации сооружения достаточно свай рабочей длиной 7 м на начало эксплуатации. Однако если при расчете несущей способности учесть негативную силу, то сваи длиной 7 м смогут нести 350 кН только 24 года. В таком случае необходимо увеличить длину сваи до 9 м, так как свая длиной 9 м может нести 350 кН не менее 30 лет. Это увеличит объем работ на 30 %.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при сезонном оттаивании песчаного грунта средней крупности и крупного может не возникать негативных сил трения по боковой поверхности свайного фундамента.

В результате комплекса экспериментальных исследований определены основные факторы, влияющие на возникновение негативных сил трения. К ним относятся: вид грунта, физические свойства грунта, гранулометрический состав грунта, пространственное расположение оттаивающих грунтов по глубине, расстояние между соседними сваями.

Учитывая перечисленные факторы, определены основные параметры, которые необходимо соблюдать при проведении лотковых экспериментов по изучению возникновения негативных сил при оттаивании. К ним относятся: геометрические размеры лотка, взаиморасположение свай в лотке, параметры морозильной камеры, теплоизоляция стенок лотка, жесткость экспериментального стенда.