Сезонное промерзание и оттаивание грунтов оснований

 

Мощность деятельного слоя определяется широтной зональностью и высотной поясностью. В высоких широтах и в пределах высокогорий она меняется от 0,2-0,5 м до 4-6 м в пределах южной границы криолитозоны. Кроме того, в одном и том же регионе она может существенно отличаться в различные годы, в связи с изменением интенсивности солнечной радиации и других климатических параметров. Кроме того, на глубину деятельного слоя оказывают значительное влияние экспозиция и крутизна склона, почвенно-растительный покров, затененность местности, гидрологический и гидрогеологический режим, строения и свойства грунтов и др. факторы [8, 9, 18]

Нормативная глубина сезонного оттаивания грунта определяется как наибольшая глубина, наблюдаемая в течение 10 и больше лет на участках без растительного, торфяного и снежного покрова, где слой сезоннопромерзающего-оттаивающего грунта сливается с верхней границей криолитозоны [36].

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта определяется по данным наблюдений, где слой сезоннопротаивающего-сезоннопромерзающего грунта не сливается с верхней границей криолитозоны или криолитозона отсутствует [36].

 

При отсутствии данных многолетних наблюдений нормативная глубина сезонного оттаивания грунта определяется

расчетом, используются различные расчетные схемы [34, 36].

Определе­ния нормативной глубины сезонного оттаивания фунта по дан­ным натурных наблюдений, полученных непосредственно в период проведения инженерно-геологических изысканий, вычисляется по формуле:

 

 

(5.1)

 

где d'_th — максимальная глубина сезонного оттаивания грунта (м), полученная непосредственными наблюдениями в год проведения изысканий. Максимальных значений глубина сезонного оттаива­ния грунтов достигает к концу летнего периода. В том случае когда изыскания проводятся в начале или середине лета и глуби­на сезонного оттаивания грунтов еще не достигла максимальных значений, она должна приводиться к максимуму по существую­щим методикам [18]; Т_bf — температура начала замерзания фунта, °С; T_th,n — расчетная температура поверхности грунта в летний период, °С, учитывающая различие температуры воздуха и ого­ленной поверхности грунта, определяется по формуле:

 

(5.2)

 

_, — расчетная продолжительность летнего периода, ч, оп­ределяется с учетом увеличения времени прогрева грунта за счет удаления снежного покрова в весенний период по формуле:

(5.3)

 

T_th,m и — соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных тем-

 

ператур (°С), и продолжительность этого периода (ч). Значения T_th,m и опре­деляются либо по данным ближайшей

метеостанции за период не менее 10 лет, либо по таблицам [37], где приведены среднемноголетние значения среднемесячных и среднегодовых температур воздуха для опорных метеостанций России; T_th и — соответственно средняя температура воздуха (°С) за период положительных температур и продолжительность этого периода (ч) в год проведения изысканий, принимаемые по ближайшей метеостанции.

 

Таблица 5.1

 

Значения коэффициентов k_w и k_w,c

Грунты	Значения коэффициентов kw и kw,c при суммарной влажности грунта Wtot
0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Песчаные	1,0	0,92	0,83	0,75	0,70	-
Пылевато-глинистые	-	1,03	0,94	0,88	0,85	0,83

 

При отсутствии данных натурных наблюдений нормативную глубину сезонного оттаивания грунта d_th,_п (м), согласно[39], допускается вычислять по формуле:

 

(5. 4)

где q — параметр, определяющий отток тепла в мерзлый грунт, Вт ∙ ч/м²:

 

(5.5)

 

q₁, — удельная теплота таяния мерзлого грунта, Вт ∙ ч/м³ вычисляется по формуле:

 

(5.6)

 

(5.7)

 

T_th,c и Т_bf – обозначения те же, что в формуле (5.1); t₁– время, принимаемое равным 3600 ч; – время, принимаемое равным 7500 ч; Т₀ – среднегодовая температура многолетнемерзлого грунта на глубине нулевых годовых амплитуд, °С, которая устанавлива­ется на основании прогнозных расчетов температурного режима грунтов на застроенной территории; _th и – коэффициенты теплопроводности соответственно талого и мерзлого грунта, Вт/(м ∙ °С); C_th и C_f – объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта, Вт ∙ ч/(м³ ∙ °С); к_т – коэффициент, для песчаных грунтов по таблице 5.1 рав­ный 1,0, а для пылевато-глинистых – по табл. 5.2 в зависимости от значения теплоемкости C_f и средней температуры грунта , °С, вычисляемой по формуле:

 

(5.8)

 

Таблица 5.2

 

Величина коэффициентов k_m

Температура,	Значение коэффициента km при объемной теплоемкости , Дж/(м3. ºС)
-1 -2 -4 -6 -8 -10	6.8 5.2 3.7 3.0 2.5 1.8	5.9 4.5 3.2 2.6 2.2 1.6	5.3 4.4 2.8 2.3 1.9 1.9	5.0 3.7 2.5 2.1 1.6 1.2

 

Удельная теплота таяния мерзлого грунта L_v, Вт∙ч/м³ , вычисляется по формуле:

 

L_v=L₀(W_lol-W_w)p_d, (5.9)

 

где L₀= 93 Вт∙ч/кг – удельная теплота фазовых пре­вращений вода – лед (затраты тепла на фазовые переходы); W_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. ед..

При отсутствии данных натурных наблюдений нормативную глубину сезонного промерзания грунтов, согласно [36], допускается определять по формуле:

 

(5.10)

 

где и - соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур (°С) и продолжительность этого периода, ч. Значения и прини­маются либо по данным ближайшей метеостанции за период не менее чем 10 лет, либо по [37]; q₂ — удельные затраты тепла на замерзание талого грунта, (Вт^.ч)/м³:

 

q₂=L_v-0,5C_f(T_fm-T_bf), (5.11)

 

где L_v — удельная теплота замерзания грунта, (Вт^.ч)/м³, определяемая по формуле (5.9); содержание незамерзшей воды в формуле (5.9) определяется при температуре грунта , °С. Остальные обозначения те же, что в формуле (5.4).

Расчетные глубины сезонного оттаивания и промерзания грунта определяются с учетом теплового влияния зданий и соору­жений и используются при решении задач механичес-

кого взаи­модействия сооружений с многолетнемерзлыми грунтами, напри­мер при определении несущей способности оснований, расчете оснований и фундаментов по устойчивости на воздействие сил морозного пучения.

Расчетная глубина сезонного оттаивания d_th и расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f определяются по формулам [39]:

 

(5.12)

(5.13)

где d_{th, п} и d_{f п} — нормативные глубины соответственно сезонного оттаивания и сезонного промерзания грунта; и k_h — коэффи­циенты теплового влияния сооружения. Значения коэффициен­тов k'_h и k_h для зданий и сооружений с холодным подпольем, когда многолетнемерзлые грунты используются по Принципу I, приведены в табл. 5.3, здесь же даны значения коэффициента k_h для отапливаемых зданий и сооружений при использовании многолетнемерзлых грунтов по Принципу II.

 

Таблица 5.3

Значения коэффициентов и

 

Сооружения
Здания и сооружения без холодного подполья	-	-
Здания и сооружения с холодным подпольем:	1.2	-
у наружных стен с отмостками, имеющими твердые покрытия;
у наружных стен с отмостками без твердых покрытий;	1.0	-
у внутренних опор	0.8	-

Примечание. Значения, приведенные в таблице, не распространяются на случаи теплоизоляции и др. теплозащитных мероприятий.

 

Управление нормативной глубиной сезонного оттаивания грунтов производится путем расчета теплоизоляционных покрытий по следующей методике:

 

, (5.14)

 

где - табулированный коэффициент, определяемый в зависимости от безразмерного комплекса К (табл. 6).

 

 

. (5.15)

 

 

где -средняя за теплый период температура воздуха, ºС; - температура начала замерзания грунта, ºС; - см. формулу 5.7.

 

Таблица 5.4

Значения коэффициента

 

К	0,01	0,015	0,05	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4
					4,5	1,8	1,0	0,65	0,4	0,25	0,15

 

Управление глубиной сезонного промерзания грунтов при наличии на поверхности теплоизоляции производится по формуле

 

, (5.16)

 

где , (5.17)

 

здесь толщина теплоизоляционного слоя, м.

 

Основные теплоизоляционные материалы и их характеристики, применяемые для управления глубиной сезонного оттаивания (промерзания) грунтов приведены в табл. 5.6.

 

Таблица 5.7

 

Теплоизоляционные материалы и их свойства

 

Теплоизоляционный материал	, кг/м3	, МПа	t, ºC	, КДж/м·ч· ºC	Водопог- лощение	Огнестой- кость
Пенополистерол	30-200	0,15-3,0	+60÷-100	0,13-2,26	15-1	С. затух.
Пенополивинил- хлорид	50-270	0,23-2,5	+60÷-60	0,16-0,22	10-3	Т. восп.
Фенольный пенно- пласт	80-150	0,25-0,7	+130÷-50	0,16-0,22	28-8	Негор.
Мочевиноформаль- дегидный порошок	10-25	0,02-0,04	+110÷-200	0,13-0,17	75-85	Негор.
Поропласт МФП	12-35	0,03-0,05	+100÷-60	0,13-0,17	75-85	Т. восп.
Водовоздушная пена	10-100	0,1	<-10	0,147	-	Т. восп.
Быстротвердеющая пена (БТП)	10-100	0,1	+30÷-60	0,19-0,24	-	Т. восп.
ПС-1	80-200	0,25	+60÷-60	0,159	0,4	Т. восп.
ПС-4	45-80	0,13-0,17	+60÷-60	0,122	0,8	Т. восп.
ПХВ-1, ПХВ-2	100-212	-	+60÷-60	0,176	-	Т. восп.
Пенополиуритан	80-100	0,15	+130÷-180	0,176	8,35	Т. восп.
					2-8	Т. восп.

Примечания: - плотность покрытия, - прочность покрытия на одноосное сжатие, - коэффициент теплопроводности покрытия; С. затух. – самозатухающий, Т. восп. – трудновоспламеняемый, Негор. – негорючий.