Forecast of frost heaving of floors and building refrigerators

Abstract

For the frst tme n world practce a method o f predcton of the value frost heave o f floors and cold store buldngs that are bult on frost-dangem heavng grounds beng frozen durng cold store operaton has been develops A method o f studyng or ground samples s presented. Examples o f establsh o f the amount o f heavng on the bass o f these studes are consdered.

Full Text

Низкотемпературные холодильники на морозоопасных пучинистых грунтах необходимо строить таким образом, чтобы не допустить их промораживания.

Вместе с тем в России около 20 лет назад впервые было предложено при проектирован и и одноэтажных холодильников учитывать возможность промораживания грунта под ними в процессе эксплуатации 2. Накопленный опыт эксплуатации холодильников показывает, что вызванное промораживанием грунта незначительное морозное пучение полов и самих зданий вполне допустимо.

При строительстве холодильников с учетом промораживания грунтов возможны два случая: первый - когда пучению подвергаются толь ко полы, и второй — когда пучению подвергается все здание. В первом случае относительный выгиб пола (в долях от ширины здания) принимают равным 0,003, во втором 0,0015.

По мере накопления опыта в перспективе допустимый относительный выгиб можно будет увеличить.

Основным препятствием к внедрению строительства с учетом промораживания грунта было отсутствие инженерной методики определения пучения полов и зданий холодильников. Трудность создания такой методики объясняется причинами, изложенными далее.

При замораживании в процессе эксплуатации пучинистые грунты в основании холодильников увеличиваются в объеме. В общем случае давление внутри грунтов может распространяться и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях. Увеличение объема в горизонтальном на правлении наибольшее у слабых, но несущей способности грунтов, характеризуемых значительной сжимаемостью. К таким грунтам относятся илы, за торфованные грунты и др.

Если же прочность пучинистого фунта высокая, то при возрастании в горизонталь ном направлении объема его промораживания он встретит большое реактивное давление талых грунтов и пучение будет осуществляться по линии наименьшего сопротивления, вверх. Наблюдения за промороженными основаниями ряда холодильников не показали заметного смещения строительных конструкций в горизонтальном направлении (это было бы заметно, например, по отклонению от вертикали крайних рядов колонн здания).

Нельзя не затронуть вопроса о консолидации талых грунтов, находящихся под давлением промерзающих слоев. При промораживании пучин истых грунтов происходит перераспределение влаги. Давление вышележащих слоев передастся па нижележащие, причем оно воз действует и на содержащуюся в порах фунта воду, заставляя ее перемещаться, и на скелет грунта.

Необходимо выяснить, не вызывает ли уменьшение влажности талого грунта, находящегося под чашей промерзания, уплотнения минеральных частиц и, как следствие, его осадки.

Если вода в порах грунта находится в парообразном состоянии, то перемещение се при промерзании вряд ли вызовет осадку. Полное «иссушение» такого грунта мало вероятно. Что касается грунта, в порах которого вода находится в жидкой фазе, то эта вода, как правило, гидравлически связана с водами близ лежащих аналогичных грунTOB. Поскольку площадь холодильника относительно мала в окружающей местности, вода при промерзании компенсируется притоком ее со стороны.

Грунты в природном сложении, находящиеся набольших глубинах, оказываю т давлению значительное со противление, поэтому если и возможны деформации от уплотнения талых грунтов, от давших при промерзании часть содержащейся в них воды, то их значения ничтожны и при оценке пучения ими можно пренебречь.

При строительстве холодильников, грунты основания которых в процессе эксплуатации могут быть проморожены, положение уровня грунтовых вод следует принимать с учетом прогноза его колебания, возможности формирования нового положения вследствие подтопления или дренирования территории.

Прогноз морозного пучения полов и зданий холодильников включает два эта на: первый — определение температурного поля в основании холодильника, второй — расчет непосредственно величины пучения.

Определение температурного поля представляет собой сложную задачу математической физики. На температурное поле влияют многие фак торы: размеры холодильника в плане; термическое сопротивление пола; тепловой ре жим камер; физико-механические и теплофизические свойства грунта в талом и мерзлом состоянии; темпера тура залога грунта, наличие грунтовой воды, скорость ее перемещения и химический

состав; время, прошедшее: начала эксплуатации сооружения. и т. д. В зависимости от соотношения этих факторов глубина промерзаем грунтов пол сооружением изменяться в широкие пределах. Расчет усложняется необходимостью учета вы деления скрытой теплоты промерзания поровой волыня границе талой и мерной зов толщи грунтов, а также переноса поровой воды нижних слоев к границе замерзания.  Температурные поля волнованных холодильников определяют при решении одномерных, осесимметричны двумерных и трехмерных задач. Стационарное температурное поле (температура в камерах постоянна) соответствуя моменту полного формирования чаши промерзания и достижения стабилизированного положения изотерм.

Расчет величины пучения Н_пучi (см) в каком-либо сечении основания здания осуществляется по формуле :

Н_пучi = $\sum _{i=1}^n$ δ_пучi •h_i •m

где δ_пучi— относительная  пучинистость слоя грунта в середине рассматриваемой i-й температурной зоны (если в температурной зоне расположено несколько видов пучинистых слоев грунта, то относительную пучинистость определяют для каждого вида грунта): h-толщина слоя фунта i-температурной зоны, см; n - число температурных зон: m- коэффициент условий работы (1,05 для илов, за торфованных грунтов и для остальных видов грунтов).

Относительная пучинистость грунта δ_пучi= (h_пуч-h₀)/h₀

где h_пуч - толщина замороженной части образца грунта ненарушенной структуры, природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения давлением р, равным давлению, действующему на рассматриваемой глубине, от собственной массы и нагрузки от фундамента, заморо- женного при температуре, соответствующей той же глубине: h₀ - толщина той же части образна грунта в талом состоянии, ненарушенной структуры, природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения давлением р, равным давлению, действующему на рассматриваемой глубине, от собственной массы и нагрузки от фундамента.

Рассмотрим два примера.

Надо найти величину пучения пола в середине здания холодильника по сечению А (рис. 1). Здание холодильника одноэтажное однопроектное (с большим пролетом). Температурное поле основания стационарное. Чаша промерзания грунта полностью сформировалась и достигла своего стабилизирован- ого состояния.

В обоих примерах одинаковыми считаем следующие условия:

• температурное поле имеет вид, показанный на рис. 1;
• уровень грунтовых вод проходится на глубине 16 м от уровня чистою пола холодильника;
• положение уровня грунтовых вод не изменится;
• температура грунтов основания холодильника равна 4 °C.

В первом примере примем, что грунт в основании холодильника сложен из одного пучинистого пласта, а во втором — из нескольких пластов различного вида, причем пучинистыми из них являются 2, 4 и 5-й, непучинистыми — 1-й и 3-й.

Относительная пучинистость грунта в обоих примерах определена лабораторным путем. Расчет Н_пуч в первом примере сведен в табл.1 , а во взором примере — в табл. 2.

В первом примере, при однородном грунте в основании холодильника, пучение пола наибольшее в середине сечения А—А здания холодильника (см. рис. ). У наружной стены в летнее время пучения пола наблюдаться не будет.

Пучение пола характеризуется плавной кривой линией (рис. 2 ).

Существует строго определенная связь между кривыми линиями промерзания и пучения. В каждый промежуток времени в каком-либо рассматриваемом сечении, конкретной глубине промерзания грунта основания соответствует своя величина пучения пола. Кривая пучения пола полностью сформируется после достижения стабилизированного состояния чаши промерзания грунта основания холодильника. Не все пучинистые грунты, расположенные между полом и нулевой изотермой в температурном поле низкотемпературного холодильника, будут находиться в замороженном состоянии. На замораживание грунтов влияют практически все те же факторы, которые определяют и само температурное поле.

Из этих факторов рассмотрим только вид грунтов в основании холодильника и глубины их залегания.

Температура замерзания различных грунтов (точнее, температура первого главного периода их замерзания), имеющих определенные физико-химические и физико-механические свойства (природная уплотненность, влажность, консистенция и п р.), следующая: для водонасыщенных песчаных, текучих и текуче пластичны х глинисты х грунтов она близка к 0 °C; для пластичных глинистых грунтов в зависимости от их уплотненности она изменяется в среднем от —0,1 до — 1,2 °C , для полутвердых глин — от —2 до - 5 °C 14 1.

Эти данные относятся к грунтам, лежащим вблизи от поверхности земли. Если глубины их залегания значительны, то температуры замерзания талых грунтов, испытывающих большие давления промерзающих выше лежащих грунтов, будут еще ниже.

Относительную пучинистость грунтов определяют методом моделирования. В качестве модели используют образцы ненарушенной структуры, природной влажности и плотности. Образцы помещают в холодильную камеру и замораживают сверху вниз 3, ч то соответствует поведению основания холодильника в эксплуатации. Снизу и с боков образец закрывают теплоизоляционным кожухом. Толщину образца принимают с таким расчетом, чтобы после его промораживания внизу оставалась часть незамерзающего грунта. Это необходимо для гою, чтобы поровая вода при промерзании образца могла перераспределиться.

Вообще, чем больше толщи на нижней части талого грунта в замороженном образце, тем точнее можно определить относительную пучинистость грунта.

Диапазон замораживания грунтов в основаниях холодильников колеблется в широких пределах — от 0 до —40 °C. В зависимости от конкретной температуры замораживания в образце воз никнет соответствующее ей температурное поле, а грунт промерзнет па определенную глубину.

Толщина замороженной части образца, соответствующая расчетной температуре верхней поверхности грунта, и будет основой для определения относи тельной пучинистости грунта и нормальных сил пучения. Разумеется, при различных температурах замораживания образцов одного и того же вида грунта эта толщина будет неодинаковой.

Подход к инженерно геологическим изысканиям при строительстве низкотемпературных холодильников с учетом их промораживания различается в зависимости от того, де формирование чего предусматривается - только полов или всего здания.

В первом случае, когда де формированию подвергаются только полы здания, образцы природной влажности и плотности замораживают без подтока воды снизу.

Рис. 1. Стационарное температурное поле в основании холодильника: цифрами в кружках обозначены номера пластов грунта, пунктирными линиями показаны их границы: 1—5 номера пластов грунта; -----границы пластов

Таблица 1

Температурная зона (диапазон температур), °C	Относительная пучинистость δпучi	Толщина слоя фунта i-й зоны h , см	Величина пучения зоны (Нпучi =  δпучi •hi),см
0...-1	0	410	—
-1...-2	0	320	—
-2...-3	0	250	—
-3...-4	0,010	200	2,0
-4...-5	0,011	160	1,76
-5...-6	0,013	130	1,69
—6...—7	0,015	110	1,65
-7...-8	0,016	95	1,52
-8...-9	0,018	85	1,53
-9...-10	0,020	75	1,50
-10...-1	0,023	65	1,495
-П...-12	0,025	55	1,375
— 12...—13	0,028	50	1,40
-13...-14	0,030	45	1,35
—14...-15	0,032	40	1,28
-15...—16	0,035	35	1,225
—16...—17	0,037	30	1,11
17...—18	0,038	25	0,95
-18 (отметка пола)	0,040	20	0,80
Итого		2200	22,64

Ошибка в прогнозе морозного пучения в сторону увеличения здесь не столь существенна, поскольку если опа все же случится, то это при ведет только к лишнему ремонту полов.

Во втором случае, когда деформированию подвергается все здание, ошибка в прогнозировании чревата тяжелыми последствиями.

Рисковать прочностью и усойчивостью здания холо дильника недопустимо. По этому прогноз должен быть выполнен особо тщательно.

Таблица2

№ пласта пучинистого грунта	Температурная зона (диапазон температур), °C	Относительная пучинистость δпучi	Толщина слоя фунта i-й зоны h , см	Величина пучения зоны (Нпучi =  δпучi •hi),см
5	0....-1	-	410	-
	-1...-1,4	0,001	90	0,09
4	-1,4..-2	0,002	230	0,46
	—2...—2,3	0,005	70	0,35
2	—4,8...—5	0,002	40	0,08
	—5...—6	0,003	130	0,39
	-6...-7	0,005	НО	0,55
	—7...-8	0,008	95	0,76
	-8...-9	0,011	85	0,935
	-9...-10	0,012	75	0,90
	— 10...—11	0,014	65	0,91
Итого				5,43

Рис. 2. Схема линий пучения пола и промерзания однородного равномерного увлажненного грунта в основании холодильника при одинаковой отрицательной температуре по ширине здания: 1 — линия пола до промерзания; 2 — линия пучения пола; 3 — линия промерзания грунта

Образцы грунта в данном случае следует отбирать по глубине скважин не реже чем через 1 м и перед лабораторным замораживанием увлажнять до полною их водонасыщения с подтоком воды к низу образцов, тем самым заранее учитывая возможное обводнение площадки во время строительства и эксплуатации холодильника.

Если же такого обводнения не произойдет, то учет спрогнозированного дополнительного пучения здания только увеличит запас его прочности.