Термомеханическое взаимодействие буроопускных свай с многолетними мерзлыми грунтами.
Буроопускные сваи - довольно известное решение в подземном строительстве. Применяется она часто в северных широтах, в многолетнемерзлых грунтах. Это одна из самых распространенных, надежных и хорошо себя зарекомендовавших технологий. СК Райдекс часто использует данную технологии в своих работах на территориях за полярным кругом.
Напомним, буроопускная технология состоит из следующих этапов:
Сваи разрешается нагружать после полного смерзания сваи в грунт.
При расчете несущей способности буроопускной сваи необходимо понимать, что она - несущая способность сваи - определяется по двум контактам: контакт сваи с раствором и контакт раствора с окружающим массивом многолетнемерзлых грунта.
Для того чтобы просчитать несущую способность буроопускной сваи, необходимо провести лабораторные испытания в приборах одноплоскостного среза в соответствии с ГОСТ 12248.
Лабораторные испытания.
Для проведения испытаний готовятся образцы с цементно-песчаным раствором. Они имеют сравнительно небольшой объем - примерно 140 кубических сантиметров.
Используется железобетонная или металлическая плашка, имитирующая поверхность сваи. На неё ставится кольцо и заливается раствор. После этого образцы помещаются в холодильную камеру и замораживаются при постоянно отрицательной температуре.
При таком сравнительно малом размере как правило образец замерзает за 1-2 суток.
В чем особенности устройства буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах, которые не учитываются в лабораторных испытаниях по стандартизированному методу.
Раньше применяли песчаные и глинистые растворы, но в настоящее время на большинстве строительных работ применяется цементно-песчаный раствор. Его принципиальное отличие от песчаных и глинистых заключается в наличии в его составе цемента, который не только замерзает, но и схватывается за счет гидратации. Поэтому в реальности могут возникать различные вариации поведения цементно-песчаного раствора: он может сразу замерзнуть, или же длительное время находиться при положительной температуре, соответственно, сначала твердеть, а только потом замерзнуть.
На время отверждения цементно-песчаного раствора при устройстве буроопускных свай оказывает влияние:
Для примера рассмотрим вариант погружения металлической трубы с заполнением песчаным раствором внутреннего и наружного пространства в высокотемпературный грунт. В этом случае раствор может находиться до 2х недель, или даже до 2х месяцев, при положительной температуре. Соответственно, сначала он будет твердеть, а только после этого замерзнет. Обратный случай - погружение железобетонной сваи в лидер сравнительно небольших размеров в низкотемпературные грунты. В этом случае раствор быстро замерзнет, не успев набрать прочность.
Те испытания, которые проводятся по ГОСТ 12248 не учитывает фактор периода устройства свай (зима, лето) и того, как проходит процесс схватывания-замерзания раствора.
Но проведя стандартизированные лабораторные испытания, мы для обоих случаев получим одинаковое время твердения - образцы затвердеют за сутки. Также для обоих случаев, у нас будут одни и те же данные силы сопротивления сдвигу по поверхности смерзания, либо по грунту.
Усовершенствование способа испытаний сил смерзания при устройстве буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах.
Для того, чтобы получать адекватное значение сил смерзания, необходимо подготавливать образцы в изменяющихся температурных условиях.
Решением может быть подготовка образцов с цементно-песчаным раствором в изменяющихся температурных условиях. Данный способ реализуется в холодильной камере, задав холодильной камере температуру, меняющуюся по времени. Минус такого способа в том, что целая серия испытаний займет всю холодильную камеру.
Для того чтобы готовить больше образцов в одной камере, можно усовершенствовать технологию испытаний ГОСТ 12048. Это будет та же форма, но дополненная сверху металлическим штампом, нагревательным элементом и терморегулятором. В терморегуляторе задаются настройки изменения температуры во времени, которые соответствуют реальному изменению температуры раствора в реальных сезонных условиях. Таким образом можно растянуть процесс подготовки образца на заданный промежуток времени.
Как определять необходимый температурный режим твердения цементно-песчаного раствора при устройстве буроопускных свай в многолетнемерзлые грунты.
Определять режим твердения раствором можно двумя способами. Первый это теплотехническое моделирование. Существуют программные комплексы, которые позволяют проводить данное моделирование. Благодаря им можно понять через сколько времени затвердеет раствор, и получить температуру в точке соприкосновении сваи с раствором в любой момент времени.
Другой способ — это определение температурного режима с помощью лоткового эксперимента. Этот метод, в отличии от первого, проводимого исключительно в лабораторных исследованиях, можно использовать и в полевых условиях.
Для этого создается определенная модель. Например, может быть использована свая из металлической трубы, диаметром 426 мм. В качестве грунта может быть песок температурой -3°. Раствор - цементно-песчаный состав один к трём (цемент М500 и три части песка). Датчики температуры устанавливаются не только на границе смерзания сваи с раствором, но и в радиальном направлении шагом 1 см. Это дает понимание насколько происходит оттаивание грунта и время обратного замерзания. Полученное изменение температуры во времени представляет собой температурный режим, который можно описать логарифмическим уравнением и использовать в производстве.
Таким образом возможно рассчитать другие варианты температурных режимов для различных конструктивных решений фундаментов с использованием свай различного состава, диаметра сечения, при различной температуре грунтов.
Выводы.
В реальных условиях цементно-песчаный раствор может находиться при положительной температуре до 50 суток. Очевидно, производственные связи для каждого случая разные.
Прочностные связи при сдвиге цементно-песчаного раствора по материалу сваи и по грунту, определяемые в лабораторных условиях по стандартизированному методу ГОСТ 12248, могут не отражать действительных значений, возникающих в полевых условиях.
Для получения достоверных значений сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с фундаментом и по грунту, важно при подготовке образцов создавать имеющиеся во времени температурные условия замерзания / твердения образца, соответствующие реальным условиям. *
Строительная компания «Райдекс» проводит работы по устройству буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах, работает на территориях за полярным кругом, предлагает наиболее эффективные, современные технические решения, которым доверяют заказчики федерального значения.
*Данная статья была написана на основании доклада Сазонова П.М. Термомеханическое взаимодействие буроопускных свай с ММГ, представленного на Конференции «Современные технологии инженерных изысканий, проектирования и строительства на многолетнемерзлых грунтах», 23-25 ноября 2021 г., Москва.
Напомним, буроопускная технология состоит из следующих этапов:
- непосредственное изготовление сваи;
- бурение скважины большего поперечного сечения, чем сама свая;
- заливка раствора в скважину;
- погружение сваи;
- засыпка пазух песчаным непучинистым грунтом в пределах слоя сезонного оттаивания-промерзания для снижения касательных сил морозного пучения.
Сваи разрешается нагружать после полного смерзания сваи в грунт.
При расчете несущей способности буроопускной сваи необходимо понимать, что она - несущая способность сваи - определяется по двум контактам: контакт сваи с раствором и контакт раствора с окружающим массивом многолетнемерзлых грунта.
Для того чтобы просчитать несущую способность буроопускной сваи, необходимо провести лабораторные испытания в приборах одноплоскостного среза в соответствии с ГОСТ 12248.
Лабораторные испытания.
Для проведения испытаний готовятся образцы с цементно-песчаным раствором. Они имеют сравнительно небольшой объем - примерно 140 кубических сантиметров.
Используется железобетонная или металлическая плашка, имитирующая поверхность сваи. На неё ставится кольцо и заливается раствор. После этого образцы помещаются в холодильную камеру и замораживаются при постоянно отрицательной температуре.
При таком сравнительно малом размере как правило образец замерзает за 1-2 суток.
В чем особенности устройства буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах, которые не учитываются в лабораторных испытаниях по стандартизированному методу.
Раньше применяли песчаные и глинистые растворы, но в настоящее время на большинстве строительных работ применяется цементно-песчаный раствор. Его принципиальное отличие от песчаных и глинистых заключается в наличии в его составе цемента, который не только замерзает, но и схватывается за счет гидратации. Поэтому в реальности могут возникать различные вариации поведения цементно-песчаного раствора: он может сразу замерзнуть, или же длительное время находиться при положительной температуре, соответственно, сначала твердеть, а только потом замерзнуть.
На время отверждения цементно-песчаного раствора при устройстве буроопускных свай оказывает влияние:
- объем цементно-песчаного раствора (диаметр лидерной скважины, тип сваи, заполнение внутреннего пространства сваи);
- состав цементно-песчаного раствора;
- температура цементно-песчаного раствора;
- температура многолетнемерзлых грунтов;
- период устройства свой (зима, лето).
Для примера рассмотрим вариант погружения металлической трубы с заполнением песчаным раствором внутреннего и наружного пространства в высокотемпературный грунт. В этом случае раствор может находиться до 2х недель, или даже до 2х месяцев, при положительной температуре. Соответственно, сначала он будет твердеть, а только после этого замерзнет. Обратный случай - погружение железобетонной сваи в лидер сравнительно небольших размеров в низкотемпературные грунты. В этом случае раствор быстро замерзнет, не успев набрать прочность.
Те испытания, которые проводятся по ГОСТ 12248 не учитывает фактор периода устройства свай (зима, лето) и того, как проходит процесс схватывания-замерзания раствора.
Но проведя стандартизированные лабораторные испытания, мы для обоих случаев получим одинаковое время твердения - образцы затвердеют за сутки. Также для обоих случаев, у нас будут одни и те же данные силы сопротивления сдвигу по поверхности смерзания, либо по грунту.
Усовершенствование способа испытаний сил смерзания при устройстве буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах.
Для того, чтобы получать адекватное значение сил смерзания, необходимо подготавливать образцы в изменяющихся температурных условиях.
Решением может быть подготовка образцов с цементно-песчаным раствором в изменяющихся температурных условиях. Данный способ реализуется в холодильной камере, задав холодильной камере температуру, меняющуюся по времени. Минус такого способа в том, что целая серия испытаний займет всю холодильную камеру.
Для того чтобы готовить больше образцов в одной камере, можно усовершенствовать технологию испытаний ГОСТ 12048. Это будет та же форма, но дополненная сверху металлическим штампом, нагревательным элементом и терморегулятором. В терморегуляторе задаются настройки изменения температуры во времени, которые соответствуют реальному изменению температуры раствора в реальных сезонных условиях. Таким образом можно растянуть процесс подготовки образца на заданный промежуток времени.
Как определять необходимый температурный режим твердения цементно-песчаного раствора при устройстве буроопускных свай в многолетнемерзлые грунты.
Определять режим твердения раствором можно двумя способами. Первый это теплотехническое моделирование. Существуют программные комплексы, которые позволяют проводить данное моделирование. Благодаря им можно понять через сколько времени затвердеет раствор, и получить температуру в точке соприкосновении сваи с раствором в любой момент времени.
Другой способ — это определение температурного режима с помощью лоткового эксперимента. Этот метод, в отличии от первого, проводимого исключительно в лабораторных исследованиях, можно использовать и в полевых условиях.
Для этого создается определенная модель. Например, может быть использована свая из металлической трубы, диаметром 426 мм. В качестве грунта может быть песок температурой -3°. Раствор - цементно-песчаный состав один к трём (цемент М500 и три части песка). Датчики температуры устанавливаются не только на границе смерзания сваи с раствором, но и в радиальном направлении шагом 1 см. Это дает понимание насколько происходит оттаивание грунта и время обратного замерзания. Полученное изменение температуры во времени представляет собой температурный режим, который можно описать логарифмическим уравнением и использовать в производстве.
Таким образом возможно рассчитать другие варианты температурных режимов для различных конструктивных решений фундаментов с использованием свай различного состава, диаметра сечения, при различной температуре грунтов.
Выводы.
В реальных условиях цементно-песчаный раствор может находиться при положительной температуре до 50 суток. Очевидно, производственные связи для каждого случая разные.
Прочностные связи при сдвиге цементно-песчаного раствора по материалу сваи и по грунту, определяемые в лабораторных условиях по стандартизированному методу ГОСТ 12248, могут не отражать действительных значений, возникающих в полевых условиях.
Для получения достоверных значений сопротивления цементно-песчаного раствора сдвигу по поверхности смерзания с фундаментом и по грунту, важно при подготовке образцов создавать имеющиеся во времени температурные условия замерзания / твердения образца, соответствующие реальным условиям. *
Строительная компания «Райдекс» проводит работы по устройству буроопускных свай в многолетнемерзлых грунтах, работает на территориях за полярным кругом, предлагает наиболее эффективные, современные технические решения, которым доверяют заказчики федерального значения.
*Данная статья была написана на основании доклада Сазонова П.М. Термомеханическое взаимодействие буроопускных свай с ММГ, представленного на Конференции «Современные технологии инженерных изысканий, проектирования и строительства на многолетнемерзлых грунтах», 23-25 ноября 2021 г., Москва.