COMPARISON OF METHODS OF PROTECTION OF FROST HEAVING SOIL

Abstract


This article discusses the comparison of methods of protection of frost heaving soil in the Russian Federation. The vast territory is water-bearing ground. Water danger can cause fluctuations in the soil base due to freezing and thawing water. The frost heaving soil - it is the instability of the soil due to the crystallization water under the influence of low temperatures, and thus loss of stability foundation. Methods were created for struggle with properties of heaving soil. Methods of protection of frost heaving soil - are actions aimed at maintaining the soil in a normal state ground, in which no buckling soil, deformation of foundation and etc. These methods are used in situations where a service load on all building or all construction structure is much less than the forces of frost heaving of the soil, or when setting of ground or frost heave of ground deformation during thawing soil much more maximum allowable strain values. As a result a construction lose a stability. Currently methods of dealing with frost heaving soils conditionally are divided into the following categories such as engineering and reclamation (termo-reclamation and hydroland); techniques associated with construction elements structures; physico-chemical (water-repellency of soils, polymer additives, salinization and others); combined. Ignoring this process causes the accidents such as to the destruction of buildings and structures.

Full Text

Значительная территория нашей страны состоит из водонасыщенных дисперсных грунтов [1]. Как известно, водонасыщенные глинистые грунты относят к слабым категориям грунта ввиду особенностей их деформирования. Это и значительные объемные деформации, медленные процессы ползучести, небольшая прочность, медленная фильтрационная консолидация и т.д. Одним из наиболее опасных видов деформации водонасыщенных грунтов является морозное пучение. Морозное пучение представляет собой процесс неравномерного увеличения объема грунта, связанный с увеличением объема воды в порах грунта [2]. Это может происходить из-за замерзания частичек воды при понижении температуры, поступления воды из соседних немерзлых зон или за счет комплекса процессов тепловлагообмена (рис. 1). Поскольку большая часть территории России, а именно ее северная и центральная части, отличается значительными температурными колебаниями и сезонным промерзанием [3], то вопрос защиты от морозного пучения является одним из актуальных в геотехнике на сегодняшний день. Целью данной работы стали обзор и анализ основных методов защиты грунта от сил морозного пучения. При проектировании, расчете и строительстве зданий и сооружений, а также их реконструкции необходимо учитывать силы морозного пучения, действующие на фундамент и здание в целом. Нормальная составляющая силы действует непосредственно на подошву фундамента либо подстилающие слои линейных сооружений (например, железных или автомобильных дорог), в то время как касательная действует на боковую поверхность фундаментов. Кроме того, значения данных сил напрямую зависят от глубины заложения фундамента. Так, при увеличении глубины значения нормальных сил уменьшатся, однако увеличатся значения касательных сил вследствие увеличения и площади боковой поверхности фундамента. Силы морозного пучения, действующие на фундамент здания, изображены на рис. 2. Рис. 2. Силы морозного пучения: P - нагрузка от здания; σ - нормальные силы морозного пучения; τ - касательные силы морозного пучения Fig. 2. The forces of frost heaving: P - load of the building; σ - normal forces of frost heaving; τ - tangential forces of frost heaving Морозное пучение может привести к значительным повреждениям зданий гражданского и промышленного назначения, линейных сооружений, транспортных коммуникаций, нарушению работы подземных инженерных сетей и т.д. Последствиями игнорирования морозного пучения являются неравномерное поднятие и опускание зданий и сооружений при оттаивании и замерзании грунта в разное время года (рис. 3) [4]. Рис. 3. Разрушение балки пола веранды силами сцепления мерзлого грунта Fig. 3. Destruction of the veranda floor joists due to forces frozen soil Методы борьбы с морозным пучением можно разделить на две группы: противопучинистая мелиорация грунтов (табл. 1) и противопучинистая стабилизация фундаментов [5-11]. Таблица 1 Методы противопучинистой мелиорации грунтов Table 1 Methods of reclamation against heaving soils Название метода Суть Подходящие типы грунтов Достоинства Недостатки Тепловая мелиорация Создание в грунте слоя теплоизоляции для исключения промерзания грунта; прокладка подземных коммуникаций взблизи фундамента для выделения в грунт тепла Все грунты, на которых к зимнему периоду находятся незавершенные строительные объекты Возможно регулирование теплообмена в грунтах и управление силовыми воздействиями и процессами пучения Площадка должна быть тщательно утрамбована и спланирована перед прокладкой теплоизоляции Гидромелиоративные мероприятия (утройство дренажей, иглофильтрация, устройство водосборных канав и т.д.) Понижение уровня грунтовых вод, предотвращение перенасыщения грунтов поверхностными водами Все виды грунтов Относительно недорогой метод Необходимо отапливать дренажные системы в слое промерзания; вертикальная планировка территории Физико-химические мероприятия - гидрофобизация грунтов Приобретение грунтами водоотталкивающих свойств путем их обработки вяжущими при определенных гидротермических условиях Супеси и пылеватые пески с преобладанием фракций от 0,5 до 0,05 мм, карбонатные грунты (лессы, морены и пр.), глины, суглинки Высокая водоустойчивость Добавление поверхностно-активных веществ, кислот и фенолов в грунт, что пагубно влияет на окружающую среду; большие временные и трудовые затраты Физико-химические мероприятия - засоление грунтов Обработка поверхности грунта твердой солью или концентрированным раствором хлористого кальция Грунты с малым коэффициентом фильтрации Дешевый метод Имеют временный характер, при неправильной технологии возможны повышение морозоопасности грунта, загрязнение почвы, ухудшение строительных материалов Физические противопучинистые мероприятия Стабилизация грунтов посредством компенсирования их пучения путем введения специальных добавок - Применение добавок позволяет компенсировать пучение грунта при его промерзании и просадочность при его оттаивании - Окончание табл. 1 Название метода Суть Подходящие типы грунтов Достоинства Недостатки Строительно-конструктивные мероприятия Усиление эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в пучинистых грунтах Все виды грунтов Наиболее простой и распространенный способ На малозагруженных фундаментах с опорно-анкерными плитами нужно учитывать силы, препятствующие выпучиванию фундамента Армирование геосинтетиками Обеспечение надежности конструкции на слабых основаниях с помощью геосинтетиков - Прочный, экономичный, экологичный, взаимозаменяемый материал, может выполнять сразу несколько функций Материал требует аккуратного хранения и эксплуатации; мало изучен и мало применяется в России Противопучинистая стабилизация фундаментов заключается в проведении строительно-конструктивных мероприятий, позволяющих повысить эффективность работы конструкций зданий и сооружений в пучинистых грунтах. К таким мероприятиям относятся использование в фундаментах свай с уширенной пятой, конструкции кустовых свай, устройства наклонных боковых граней у фундаментов из железобетона, а также уменьшение сечения столбчатых свай. Кроме этого, необходимо устройство отмостки для предотвращения попадания поверхностных вод. В наши дни широкое распространение получило использование геосинтетических материалов (рис. 4), так как геосинтетики повышают несущую способность грунта и уменьшают его деформации. а б в г д е Рис. 4. Применение различных геосинтетиков для армирования грунтов: а - георешетка; б - геомембрана; в - геосетка; г - геотекстиль; д - геокомпозит; е - фиброволокно Fig. 4. The use of various geosynthetics for soil reinforcement: а - geogrid; b - geomembrane; c - geogrid; d - geotextiles; e - geocomposite; f - fiber К особенностям армирования геосинтетическими материалами можно отнести то, что они обеспечивают надежность конструкции на слабых основаниях. Плюсы этого метода - в большой прочности геосинтетиков, их экологичности, взаимозаменяемости и способности выполнять сразу несколько функций. К минусам можно отнести появление дефектов на материале из-за неправильного хранения или эксплуатации материала. Метод использования геосинтетических материалов в качестве противопучинистых мероприятий изучен недостаточно хорошо. Однако проведен ряд лабораторных испытаний на специальных приборах (рис. 5) [12] для определения относительной деформации пучения грунта без армирования и при армировании некоторыми геосинтетическими материалами [13]. Рис. 5. Приборы для определения пучинистых свойств грунтов Fig. 5. Instruments for determining properties of heaving of soil Исследования проводились для глинистых грунтов разной консистенции от тугопластичной до текучепластичной при IL = 0,4; 0,6; 0,8. В качестве армирования были выбраны следующие геосинтетические материалы: геотекстиль тканый «Геоспан ТН 50», геокомпозит Polyfelt Rock PEC, фиброволокно. Испытания проводились согласно ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистого грунта». При армировании слой геотекстиля и геокомпозита находился посередине образца (рис. 6), а фиброволокно смешивалось с грунтом в соотношении 1 % к массе сухого грунта [14]. а б Рис. 6. Образец глинистого грунта после испытания: а - часть грунта, расположенная перед слоем геокомпозита; б - часть грунта, расположенная выше слоя геокомпозита Fig. 6. Sample of clay after the test: a - part of the soil, located before the layer of geocomposite; b - part of the soil layer situated above the geocomposite После испытаний были посчитаны значения относительной деформации пучения грунтов ɛfh, которые представлены в табл. 2 [15]. Таблица 2 Значения относительной деформации пучения грунтов Консистенция грунтов Относительная деформация пучения неармированных грунтов ɛfh, % Относительная деформация пучения армированных грунтов ɛfh, % Геотекстиль тканый Геокомпозит Фиброволокно Тугопластичные глины 2,9 2,1 2,6 5,4 Мягкопластичные глины 3,9 2,7 2,5 6,0 Текучепластичные глины 3,0 3,18 3,18 7,5 По результатам исследований, представленных в табл. 2, можно сказать, что армирование грунтов геотекстилем тканым и геокомпозитом снижают деформации пучения глинистых грунтов до 25 %. При этом деформации пучения уменьшаются как за счет эффекта армирования, так и за счет уменьшения геосинтетическими материалами миграции влаги в грунте. Эффективность армирования глинистых грунтов также зависит от консистенции грунта. В текучепластичных глинах эффект армирования наиболее слабый. Внедрение в грунты отдельных фиброволокон, наоборот, увеличивает деформации пучения грунта более чем в 2 раза. Внедрение фиброволокна в грунты, подверженные морозному пучению, нецелесообразно [14]. Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы: 1. Противопучинистые мероприятия являются важным аспектом в строительстве, так как большая часть территории России подвержена сезонным промерзаниям грунта. 2. Противопучинистые мероприятия выбираются исходя из рельефа местности, геологических особенностей грунта, типа источника увлажнения. 3. Физико-химический способ засоления грунтов - наиболее дешевый метод. 4. Одним из самых трудозатратных методов является гидрофобизация. 5. Строительный метод - самый распространенный на территории России. 6. Перспективный метод защиты - армирование пучинистых грунтов геосинтетиками. Актуально дальнейшее исследование влияния различных геосинтетических материалов на пучинистые свойства грунтов.

About the authors

I. A Chernysheva

Perm National Research Polytechnic University

A. V Mashchenko

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Анализ влияния различных типов армирования на деформационные характеристики глинистого грунта / А.Н. Богомолов, А.Б. Пономарев, А.В. Мащенко, А.С. Кузнецова // Интернет-вестник Волгоград. гос. арх.-строит. ун-та. Сер. Политематическая. - 2014. - Вып. 4 (35). - С. 1-9.
  2. Rempel A.W. Formation of ice lenses and frost heave // Earth Surface. - 2007. - Vol. 498. - P. 70-76.
  3. Хрусталев Л.Н. Рекомендации по применению способа стабилизации вечномерзлых грунтов в основании зданий / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. - М., 1985. - 44 с.
  4. Brig itte Van Vliet-Lanoë. The significance of cryotubation phenomena in environmental reconstruction // Journal of Quaternary Science. - 1988. - № 13 (4). - P. 85-96.
  5. Основания и фундаменты зданий в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов / М.А. Малышев, В.В. Фурсов, М.В. Балюра [и др.]. - Томск : Изд-во Том. гос. ун-та, 1992. - 280 с.
  6. Malysev M.A. Investigation of the deformation of clayey soils resulting from frost heaving and thawing in foundations due to loading // IV International Conference on Permafrost. - Washington National Academy Press, 1984. - P. 259-263.
  7. Orlov V.O. Foundation settlements on season freezing soils // V International Conference on Permafrost. - Trondheim, 1988. - P. 1441-1445.
  8. Рекомендации по уменьшению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластичных смазок / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. - М., 1987. - 20 с.
  9. Львович Ю.М. Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве. Обзорная информация. - М., 2002. - Вып. 7. - 77 с.
  10. Мащенко А.В., Пономарев А.Б. Влияние армирования геосетки на механические характеристики водонасыщенных грунтов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 3. - С. 81-92. doi: 10.15593/2224-9826/2015.3.10
  11. Пономарев А.Б., Офрихтер В.Г. Анализ и проблемы исследований геосинтетических материалов в России // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 2. - С. 68-73.
  12. Мащенко А.В., Чернышева И.А. К вопросу использования различных методов защиты от морозного пучения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2016. - № 1. - С. 39-46. doi: 10.15593/2224-9826/2016.1.05
  13. Мащенко А.В., Пономарев А.Б., Моисеева Ю.Ю. Анализ изменения деформационных свойств глинистого грунта, армированного геосинтетическими материалами, при разном показателе текучести // Экология. - 2014. - № 3 - С. 106.
  14. Мащенко А.В., Пономарев А.Б. Анализ влияния армирования фиброволокном на свойства глинистых грунтов в условиях сезонного промерзания и оттаивания // Вестник Волгоград. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2016. - № 44-1 (63). - С. 40-50.
  15. Мащенко А.В. Влияние армирования геосинтетическими материалами на пучинистые свойства грунтов // Вестник гражданских инженеров. - 2015. - № 6 (53). - С. 100-103.

Statistics

Views

Abstract - 12

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2016 Chernysheva I.A., Mashchenko A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies