МЕТОДИЧКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра строительного производства, оснований и фундаментов

В.В. Воронцов, О.В. Ашихмин, Ал.Н. Краев, М.Е. Игошин

ИНЖЕНЕРНОЕ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ

РАБОТЫ

для студентов специальности 270102 “Промышленное и гражданское строительство”, направления 270800 «Строительство» по профилю “Промышленное и гражданское строительство” всех форм обучения

Тюмень, 2013

УДК: 625.15

И – 62

Инженерное мерзлотоведение: методические указания для практической и самостоятельной работы для студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство», направления 270800 «Строительство» по профилю «Промышленное и гражданское строительство» всех форм обучения. В.В. Воронцов [и др.]. – Тюмень: РИО ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ, 2013. – 62 с.

Методические указания разработаны в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 270102 – «Промышленное и гражданское строительство», бакалавра направления 270800 «Строительство» по профилю «Промышленное и гражданское строительство». Методические указания способствуют развитию у студентов профессиональных компетенций, в том числе: знание нормативной базы в области инженерного мерзлотоведения, принципов проектирования фундаментов на многолетнемерзлых грунта. Данные указания направлены на выполнение основных видов расчетов, связанных с мерзлотными процессами. Методические указания рассчитаны на студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство», направления 270800 «Строительство» по профилю «Промышленное и гражданское строительство» всех форм обучения.

Рецензент: Набоков А.В.

Тираж: 100 экз. Заказ №

©ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурностроительный университет»

©Воронцов В.В., Ашихмин О.В., Краев Ал.Н., Игошин М.Е.

Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Мерзлотоведение (или геокриология) является геокриологической наукой и изучает мерзлую зону литосферы, или криолитозону, и слагающие её толщи мерзлых горных пород, изучает законы формирования и развития во времени и пространстве толщ мерзлых горных пород, их состава,

криогенного строения и свойств, а также мерзлотно-геологических процессов и явлений.

Предметом изучения являются мерзлые горные породы (как многокомпонентная система: твердая часть, вода в трех состояниях, газы).

При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений,

инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:

-принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

-принцип II - вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).

В настоящих методических указаниях разобраны примеры расчетов глубины сезонного промерзания – протаивания, определения несущей способности оснований свайных и столбчатых фундаментов при использовании многолетнемерзлых оснований по принципу I, приведены расчеты оснований и фундаментов по устойчивости на воздействие сил морозного пучения, рассмотрен пример расчета осадки фундамента в здании,

возводимом на многолетнемерзлых грунтах с их последующим оттаиванием

в процессе эксплуатации (принцип II).

4

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ И ТАЛЫХ ГРУНТОВ

1.1Характеристики физических свойств мерзлых грунтов

Всостав физических характеристик, определяемых для мерзлых грунтов, входят:

-суммарная влажность мерзлого грунта - wtot (д.ед.);

-влажность мерзлого грунта между включениями льда - w, (д.ед.);

-влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды - ww (д.ед.);

-влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз wi (д.ед.);

-влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента)

wiс (д.ед.);

- суммарная льдистость мерзлого грунта - itot (д.ед.) и льдистость мерзлого грунта за счет включений льда - ii (д.ед.);

- степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой - Sr (д.ед.).

Суммарной влажностью называется отношение массы всех видов воды в мерзлом грунте к массе скелета грунта, определяется в соответствии с ГОСТ 5180-84. Состоит из влажности мерзлого грунта за счет ледяных включений, прослоев и линз (w)i и влажности мерзлых минеральных прослоек(wm), которая в свою очередь слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента) (wiс) и влажности за счет не замерзшей воды

Влажность мерзлого грунта между включениями льда определяется

также в соответствии с ГОСТ 5180-84, в случае если wm нельзя определить опытным путем, то для глинистых грунтов принимается:

5

где wp (д.ед.) – влажность, соответствующая нижнему пределу пластичности

(влажность на границе раскатывания), доли единицы.

Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды, ww

определяется опытным путем. Для мерзлых незасоленных грунтов допускается определять по формуле:

(1.3)

где kw – коэффициент, принимаемый по таблице 1.1 в зависимости от температуры грунта (Т, оС) и числа пластичности Ip, (д.ед.):

(1.4)

где wL (д.ед.) – влажность грунта, соответствующая верхнему пределу пластичности (влажность на границе текучести).

Таблица 1.1 - Значения коэффициента kw

Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льда-цемента), (wic)

вычисляется по зависимости:

(1.5)

Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, (wi)

определяется по формуле:

6

(1.6)

Весовая льдистость (i, д.ед.), отношение веса воды к весу всего грунта,

определяется по формуле:

Суммарная льдистость мерзлого грунта ( itot, д.ед.) - отношение объема содержащегося в нем льда к объему мерзлого грунта, определяется по формуле:

(1.8)

где ρi – плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см3;

ρ (г/см3) – плотность мерзлого грунта; i (д.ед.) – весовая льдистость.

Льдистость грунта за счет видимых ледяных включений (ii, д.ед.) -

отношение содержащегося в нем объема видимых ледяных включений к объему мерзлого грунта, вычисляется по зависимости:

где ρs (г/см3) – плотность частиц грунта.

Льдистость грунта за счет порового льда-цемента (iic, д.ед.)

определяется из разности:

(1.10)

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой (Sr, д.ед.) определяется по формуле:

(1.11)

7

где wic (д.ед.) - влажность мерзлого грунта за счет порового льда,

цементирующего минеральные частицы (лед-цемент);

е (д.ед.)– коэффициент пористости мерзлого грунта; ρw – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3.

Коэффициент пористости (е, д.ед.), определяется по формуле:

(1.12)

где ρd (г/см3) – плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), определяемая по формуле:

Плотность и пористость являются основными физическими показателями мерзлой породы, используемыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасыщения и льдистости грунтов. Величина плотности необходима при расчете коэффициента теплопроводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерзлого грунта, сопротивления мерзлого и оттаявшего грунта сдвигу и др.

Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасыщения и коэффициента сжимаемости мерзлых грунтов.

1.2Теплофизические характеристики грунта

Всостав теплофизических характеристик, определяемых для вечномерзлых грунтов, входят: теплоемкость (С), теплопроводность (λ),

температура начала замерзания грунта (Tbf), теплота таяния (замерзания)

грунта (Lv), температуропроводность (a).

8

Теплофизические характеристики грунта – теплопроводность - λ,

[Вт/(м·оС)] и объемная теплоемкость - С, [Вт·ч/(м3· оС)], определяются опытным путем в соответствии с ГОСТ 26263-84. Расчетные значения теплопроводности талого и мерзлого грунта (λth и λf), а также объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта (Сth и Сf) песчаных и пылевато-

глинистых грунтов, включая заторфованные и гравелистые, допускается принимать по таблице 3 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от плотности грунта в сухом состоянии (ρd).

Температура начала замерзания грунта Тbf, (°C), характеризует температуру перехода грунта из талого в мерзлое состояние. Температуру начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных

(заторфованных) грунтов Тbf следует устанавливать опытным путем. Для предварительных расчетов мерзлых оснований значение Тbf допускается принимать по таблице 2, СНиП 2.02.04-88, в зависимости от вида грунта концентрации порового раствора срs, (д.ед.), определяемой по формуле:

(1.14)

Теплота таяния (замерзания) грунта Lv, (Вт·ч/м3), принимается равной количеству теплоты, необходимой для таяния льда (замерзания воды) в

единице объема грунта и определяется по формуле:

(1.15)

где L0=93 Вт·ч/кг – удельная теплота фазовых превращений «вода-лед» в

расчете на единицу массы.

9

Температуропроводность пород выражается через коэффициент температуропроводности (а, м2/с), который является показателем

инерционности температурного поля и связан с коэффициентами

теплоемкости и теплопроводности следующим соотношением:

(1.16)

Практическая работа №1.

Определение основных характеристик физических и теплофизических свойств мерзлых грунтов.

Вычислить и определить по таблицам для трех незасоленных грунтов своего варианта характеристики их физических и теплофизических свойств.

Исходные данные приведены в таблицах 1.2, 1.3.

Ход работы:

1. Определяется величина (ww, д.ед.), предварительно берутся из таблицы значения kw при температуре грунта (Т, оС) и числе пластичности (Ip, д.ед.)

полученному по формуле (1.4).

2.Влажность мерзлого грунта за счет порового льда (wic, д.ед.),

определяется по формуле (1.5), приняв wm=wp.

3.Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, (wi, д.ед.),

рассчитывается по формуле (1.6).

4.Суммарная льдистость мерзлого грунта (itot, д.ед.) определяется по формуле (1.8).

5.Льдистость грунта за счет ледяных включений (ii, д.ед.) определяется по формуле (1.9), льдистость за счет льда-цемента (iic, д.ед.) по формуле

(1.10).

6. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой (Sr, д.ед.) определяется по формуле (1.11), предварительно определяется коэффициент пористости (е, д.ед.) по формуле (1.12) и

плотность скелета грунта (ρd, г/см3) по формуле (1.13).

10