Экспериментальное определение параметров методики исследования прочности смерзания грунта и материала фундамента

Введение. Прочность смерзания — прочностная характеристика мерзлых грунтов, описывающая их механическое взаимодействие с подземными конструкциями зданий и сооружений. Данная характеристика используется при определении несущей способности свай, расположенных в зоне распространения вечной мерзлоты, а также оценке выдергивающего воздействия касательных сил морозного пучения сезоннопромерзающих грунтов. Прочность смерзания устанавливается лабораторными опытами посредством реализации сдвига мерзлого грунта относительно испытуемого материала. Существует несколько различных методов определения прочности смерзания, все они имеют недостатки: одни громоздки и сложны в проведении, в других невозможна реализация моделирования всех типов условий промерзания грунтов.

Материалы и методы. Для исследования прочности смерзания стеклопластика с образцом мерзлого грунта на кафедре геотехники СПбГАСУ предложен новый метод установления прочности смерзания грунта и подземной конструкции, позволяющий сократить трудоемкость испытаний, минимизировать дополнительное воздействие на испытуемые грунты в процессе их подготовки, а также учитывать особенности промерзания грунта вокруг фундамента. Однако, как любой новый метод, он обладает рядом неопределенностей. Экспериментально определены оптимальные параметры методики: соотношение диаметра образца материала к его высоте, конструктивное исполнение опоры, а также способа утепления при промораживании.

Результаты. Форма испытуемого образца имеет существенное влияние на конечное значение прочности смерзания, конструкция опоры и способ утепления образцов оказывают воздействие на получаемый результат в ходе испытания. Наиболее оптимальными решениями служат: применение опоры в виде кольца, препятствующего движению формы и не препятствующего движению грунта, и использование утепления путем погружения образцов в утеплитель, а не оборачивание им.

Выводы. Представлена законченная методика определения прочности смерзания грунта с материалом подземной конструкции, достоверность получаемых результатов по которой превосходит достоверность данных, полученных по методу ГОСТ, что проявилось в более низком значении коэффициента вариации внутри результатов контрольной выборки образцов.

1. Wen Z., Yu Q., Ma W., Dong S., Wang D., Niu F. et al. Experimental investigation on the effect of fiberglass reinforced plastic cover on adfreeze bond strength // Cold Regions Science and Technology. 2016. Vol. 131. Pp. 108–115. DOI: 10.1016/j.coldregions.2016.07.009

2. Волохов С.С., Соловьева Н.В. Прочность смерзания мерзлых грунтов с материалами трубопроводов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010. № 5. С. 25–28. EDN SKAOLB.

3. Волохов С.С. Влияние шероховатости поверхности материалов фундаментов на прочность смерзания с грунтом в различных условиях // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 1993. № 3. C. 76–81.

4. Boyarintsev A.V., Lanko S.V. Experimental estimate of instantaneous adfreeze strength of glass-fibre reinforced plastic in frozen soil // Geotechnics Fundamentals and Applications in Construction: New Materials, Structures, Technologies and Calculations. 2019. Pp. 49–53. DOI: 10.1201/9780429058882-10

5. Соколов В.М. Исследование силового воздействия промерзающего грунта на вертикальные элементы трубопроводов : дис. … канд. техн. наук. Ленинград, 1976. 163 с.

6. Рыжков И.Б., Минкин М.А., Исаев О.Н. Об определении длительной прочности мерзлых грунтов и несущей способности свай методом статического зондирования // Жилищное строительство. 2020. № 9. С. 54–64. DOI: 10.31659/0044-4472-2020-9-54-64

7. Гольдштейн М.Н. Деформации земляного полотна и оснований сооружений при промерзании и оттаивании. М. : Трансжелдориздат, 1948. 212 c.

8. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов : учеб. пособие. М. : Высшая школа, 1973. 446 с.

9. Иоспа А.В., Аксёнов В.И., Шмелёв И.В. Некоторые результаты испытаний противопучинных и антикоррозионных покрытий для защиты металлических фундаментов на многолетнемерзлых грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 5. С. 27–31. EDN VICRKL.

10. Johnson J., Buska J.S. Measurement of frost heave forces on H-piles and pipe piles. State of Alaska department of transportation and public facilities, 1988.

11. Hou X., Chen J., Yang B., Wang J., Dong T., Rui P. et al. Monitoring and simulation of the thermal behavior of cast-in-place pile group foundations in permafrost regions // Cold Regions Science and Technology. 2022. Vol. 196. P. 103486. DOI: 10.1016/j.coldregions.2022.103486

12. Hou X., Chen J., Jin H., Rui P., Zhao J., Mei Q. Thermal characteristics of cast-in-place pile foundations in warm permafrost at Beiluhe on interior Qinghai-Tibet Plateau: Field observations and numerical simulations // Soils and Foundations. 2020. Vol. 60. Issue 1. Pp. 90–102. DOI: 10.1016/j.sandf.2020.01.008

13. Mu Y., Wang G., Yu Q., Li G., Ma W., Zhao S. Thermal performance of a combined cooling method of thermosyphons and insulation boards for tower foundation soils along the Qinghai–Tibet Power Transmission Line // Cold Regions Science and Technology. 2016. Vol. 121. Рp. 226–236. DOI: 10.1016/j.coldregions.2015.06.006

14. Бояринцев А.В., Ланько С.В., Зыбцева А.В. Теплотехническое влияние фундамента на глубину промерзания и оттаивания грунтов // Промышленное и гражданское строительство. 2022. № 5. С. 14–23. DOI: 10.33622/0869-7019.2022.05.14-23. EDN DTZGYI.

15. Патент RU № 2749226. МПК: E02D 1/02. Способ определения прочности смерзания / Бояринцев А.В.; заявл. № 2020136455 от 03.11.2020, опубл. 07.06.2021.

16. Бояринцев А.В., Шорина А.Ю., Родионова Е.С., Матюшина В.А. Опытное определение скорости морозного пучения для различных типов грунтов по степени пучинистости // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 2 (91). С. 66–73. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-2-66-73. EDN KDPSDC.

17. Long X., Cen G., Cai L., Chen Y. Experimental research on frost heave characteristics of gravel soil and multifactor regression prediction // Advances in Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 2018. Pp. 1–13. DOI: 10.1155/2018/5682619

18. Ishikawa T., Kijiya I., Tokoro T., Akagawa S. Estimation of frost heave ratio of soils in contemplation of matric suction under low overburden pressure // Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. E1 (Pavement Engineering). 2015. Vol. 70. Issue 3. Pp. 65–70. DOI: 10.2208/jscejpe.70.I_65

19. Arroyo M., Pineda M., Sau N., Devincenzi M., Perez N. Sample quality examination on silty soils // Geotechnical Engineering for Infrastructure and Development. 2015. Vol. 6. Pp. 2873–2878. DOI: 10.1680/ecsmge.60678.vol6.445

20. Аксёнов В.И. Засоленные мерзлые грунты Арктического побережья как основание сооружений. М. : Все о мире стр-ва, 2008. 351 с.

21. Кудрявцев С.А. Влияние миграционной влаги на процесс морозного пучения сезоннопромерзающих грунтов // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2003. № 7. С. 233–240.

22. Лебеденко Ю.П. Миграция влаги и сегрегационное выделение в льдодисперстных породах : дис. … канд. геол.-минерал. наук. М., 1978. 136 с.

23. Частотинов Л.В. Миграция влаги в промерзающих неводонасыщенных грунтах. М. : Наука, 1973. 144 с.

24. Патент RU № 2720595. МПК: E02D 5/24. 2020. Способ повышения несущей способности сваи по грунту / Бояринцев А.В., Ланько С.В.; заявл. № 2019145667 от 31.12.2019, опубл. 12.05.2020.