Исследование сил негативного трения оттаивающих грунтов в полевых условиях



Описаны условия проведения полевых испытаний, их методика, результаты, анализ и выводы. Полевые испытания проводились в специально оборудованном лотке размером 200х200 см в плане и глубиной 400 см, в середине которого устанавливалась 4-х секционного тензометрическая металлическая свая диаметром 15,9 см и длиной 450 см. После установки сваи в ее пяти уровнях создавалась ледяная прослойка толщиной 8–10 см, на которой затем послойно замораживался песок. Через каждые 90–95 см укладывались тепловые штампы, которые просыпались сверху слоем песка толщиной 3–5 см, затем сверху намораживался ледяной слой толщиной 2–3 см и производилась дальнейшая отсыпка и замораживание песка и т. д. Для измерения послойных перемещений грунта установлены глубинные и поверхностные марки. Измерение величины суммарных сил негативного трения грунта по мере его оттаивания дублировалось механическим динамометром. Полевые испытания проводилось в трех этапах.

Ключевые слова: сила негативного трения, тензометрические сваи, оттаивающие грунты, песок, тепловой штамп, ледяной прослойки, глубинные марки, динамометр, сила трения при выдергивании.

Характеристика опытной площадки.

Экспериментальное исследование негативного трения, возникающего при оттаивании околосвайного грунта, проводилось в полевых условиях на специально оборудованном полигоне. Для этого был создан шурф размером 200 х 200 см в плане и глубиной 400 см (рис.1), стенки которого раскреплялись щитами, обшитыми листовым дюралем. Размеры шурфа в плане принимались из условия, чтобы расстояние от оси сваи до стенки шурфа было не менее шести диаметров сваи. На дно шурфа укладывалась бетонная плита толщиной 6 см, в центре которой устанавливалась опытная свая, закрепленная в специальном крестообразном кондукторе (рис.2). После установки сваи в уровне ее пяты создавался ледяной прослоек толщиной 8–10 см, на который затем послойно (толщиной по 25 см) намораживался песок средней крупности с коэффициентом однородности Кн = 2,4 (табл.1). Через каждые 90–95 см укладывались сетки из греющего кабеля (тепловой штамп), которые присыпались сверху слоем песка толщиной 8–10 см. После замораживания этого слоя создавался ледяной прослоек толщиной 2–3 см. Затем устанавливались глубинные марки для измерения перемещения грунта в данном уровне, производились дальнейшая отсыпка и замораживание песка и так далее. После замораживания из каждого слоя брались пробы мерзлого грунта для контроля плотности и влажности в трех точках в плане, причем отбирались не менее 3 проб в каждой точке. Результаты анализ грунтов приведены в табл. 2, из которой видно, что в четырех нижних слоях песок имел влажность W _tot =0,22 и коэффициент пористости е=0,62, а остальные слои характеризуются средними значениями W _tot = 0,096 и е = 0,56. Тепловой штамп, состоящий из 20 проводов, соединенных параллельно, уложен в виде змеевика. Диаметр каждого провода равен I мм (без изоляции), с изоляцией — 3 мм, его удельное сопротивление 0,138 Ом/м, максимальная сила тока 8 А, допускаемое напряжение 36 В. Температура на поверхности теплового штампа поддерживалась равной примерно 50–60°С, что достигалось регулировкой силы тока с помощью сварочного трансформатора ТД-500. Такие тепловые штампы укладывались в четырех уровнях на 10 см ниже каждого ледяного прослойка, кроме нижнего, что позволяло производить ускоренное фронтальное оттаивание грунта по глубине. Для уменьшения потерь тепла на поверхности песка был уложен слой теплоизоляции.

Таблица 1

Гранулометрический состав песка

Содержание в % частиц размером, мм
10	10–5	5–2	2	2–1	1–0,5	0,5–0,25	0,25–0,1	0,1
3,6	6,3	6,4	16,4	3,7	6,1	47,7	23,7	1,2

Таблица 2

Глубина м	Влажность W tot	Плотность кН/м 3	Плотность в сухом состоянии d кН/м 3	Коэффициент пористости, e
0,35 0,6 1,2 1,45 1,70 2,10 2,30 2,50 2,70 3,0 3,25 3,50 3,75	0,055 0,06 0,62 0,051 0,115 0,10 0,10 0,14 0,18 0,22 0,22 0,22 0,22	17,3 17,6 17,9 17,5 18,1 18,1 17,4 19,3 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0	16,4 16,7 16,8 16,7 16,2 16,5 15,8 17,4 16,9 16,4 16,4 16,4 16,4	0,57 0,53 0,52 0,55 0,52 0,52 0,58 0,39 0,57 0,62 0,62 0,62 0,62

Для измерения негативного трения была разработана и изготовлена секционная тензометрическая металлическая свая длиной 450 см и диаметром 15,9 см (рис.2). Свая состоит из внутренней трубы (2), соединенной с пятой сваи (10), и внешней трубы (I) из 4 отсеков длиной 100 см, наружным поверхностям которых придана повышенная шероховатость (рис.3.5) механической обработкой (шаг резьбы I мм, высота — 0,5 мм). Каждый отсек независимо от других подвешен посредством двух тяг (3) к верхнему фланцу (5). Между гайками (7), которые наворачиваются на тяги, и фланцем (5) размещаются тензоэлементы (6) в виде полых цилиндров, изготовленных из дюраля Д16т с пределом прочности 300 МПа. На наружную поверхность тензоэлементов наклеивались 4 активных проволочных датчика сопротивления на бумажной основе с базой 10 мм и сопротивлением 200 0м. В качестве компенсационных использовались аналогичные датчики, наклеенные на отдельный элемент, изготовленный из того же материала, который свободно подвешивался рядом с рабочими тензоэлементами и соединялся с активными датчиками по полумостовой схеме. Показания датчиков регистрировались ИДЦ-I с точностью I х 10– ⁶ е.о.д. Для увеличения надежности измерения суммарных сил негативного, трения между нижним (4) и верхним фланцем (5) установлен механический динамометр ДОСМ-3–5. Перед установкой опытной сваи в шурф производилась предварительная ее сборка.

Рис. 1. Схема экспериментального лотка с устоновленной в нем тензосваей: глубинные марки; 2- пригрузка; 3- стенки шурфа; 4- прослойка льда; 5- нагревательный элемент; 6- термосвязки; 7- тензосвая; 8- индикаторы; 9- поверхностные марки; 10- реперные балки

Рис. 2. Конструкция тензосваи:1-секция сваи; 2-опорная труба; 3-тяги; 4-нижняя плита; 5-верхняя плита; 6-тензоэлементы; 7-гайки; 8-динамометр; 9-прокладка; 10-ценрируяшая плита; 11-уплотнитель; 12-зашитный кожух; 13-переходная деталь; 14-шайбы; 15-болт

Процесс замораживания грунта при послойной укладке и последующем оттаивании контролировался тремя термометрическими связками, в которых датчики располагались с шагом 25 см. В качестве терморезисторов применялись медные датчики с сопротивлением 334–336 Ом, позволяющие измерять температуру грунта с точностью 0,1°С. В дальнейшем эти же термосвязки использовались для фиксации хода оттаивания грунта.

Для измерения послойных перемещений грунта установлены глубинные и поверхностные марки, первые размещались в песке на 5–10 см выше соответствующего прослойка льда в 4-х уровнях по глубине, а вторые заглублялись в грунт на 10 см от поверхности. Перемещения марок измерялись индикаторами часового типа с точностью 0,01 мм, ножки которых упирались в реперные балки, а сами индикаторы закреплялись непосредственно на марках.

После окончания всех подготовительных работ и намораживания грунта верхний слой песка пригружался равномерной нагрузкой интенсивностью 0,005 МПа.

Оттаивание грунта и его перемещения

Оттаивание околосвайного грунта производилось послойно — тепловые штампы подключались по очереди по мере продвижения фронта оттаивания. Сначала подключался верхний тепловой штамп, а после протаивания грунта на глубину один метр подключался второй. Для оттаивания третьего метра отключался первый тепловой штамп и подключался третий (на глубине 2,1 м), который работал параллельно со вторым. Соответственно, при оттаивании четвертого метра песка подключался четвертый тепловой штамп (на глубине 3,1 м), а третий отключался. Так как самый нижний слой льда на глубине 4 м имел наибольшую толщину (h _i = 8 -10см), то второй и четвертый тепловые штампы не отключались до тех пор, пока перемещения нижних марок не превзошли 60 мм, после чего были отключены все нагревательные элементы. Ход оттаивания грунта показан на рис. 3.

Первые перемещения поверхностных марок были зарегистрированы к концу первых суток от начала оттаивания, когда его глубина достигла примерно 20 см (рис.4). Перемещения глубиной марки, расположенной около сваи на глубине d _g = 1м, начались на седьмые сутки, а затем, когда нулевая изотерма достигла глубины 0,8 м, наблюдалось резкое увеличение скорости ее перемещения, что, по-видимому, свидетельствует о начале оттаивания первого ледяного прослойка. После его оттаивания скорость перемещения грунтовой марки уменьшилась.

Перемещения двух других глубинных марок, установленных также на глубине I м, но расположенных соответственно у стенки лотка и посредине между сваей и стенкой, начались на 10–15 ч позже (рис.5).

Отметим, что оттаивание песка по глубине вблизи стенки лотка происходило с запаздыванием на 20–30 см относительно оттаивания грунта вблизи сваи, что объясняется большей по сравнению с грунтом теплопроводностью металлической сваи и влиянием температуры наружного воздуха (от -5 до -30°С). Из характера перемещений глубинных марок, установленных на глубине 2 м, видно, что оттаивание второго ледяного прослойка началось на 16-е сутки одновременно с прохождением нулевой изотермой глубин 2 и 2,1 м.

Различные скорости перемещений грунтовых марок, наблюдаемые при оттаивании грунта до глубины 2 м и ниже, объясняются, с одной стороны, увеличением давления с глубиной и, с другой, большей деформативностью грунта ниже 2 м, отличающегося повышенной влажностью.

Из рис.5. видно, что на всех этапах оттаивания выше расположенные грунтовые марки достаточно хорошо повторяют характер перемещений нижерасположенных марок, которые фиксируют перемещения оттаивающего в данный момент слоя грунта. Воздействие сил негативного трения на первую секцию было зарегистрировано на третьи сутки, а на девятые сутки оно достигло некоторого промежуточного максимального значения, затем наблюдалась тенденция к его уменьшению и незначительному увеличению, после чего снова были зафиксированы абсолютный максимум и опять уменьшение (рис. 6). Первый максимум соответствует девятым суткам, когда оттаял грунт в пределах первого отсека, второй максимум — двадцать девятым суткам, когда произошло оттаивание практически всего грунта.

Во втором отсеке усилия, вызываемые негативным трением, были зафиксированы впервые на 13-е сутки, когда оттаивание достигло примерно 1,5 м, затем первый максимум был отмечен на 16-e сутки, когда оттаивание достигло второго метра, а абсолютный максимум наблюдался при оттаивании грунта на всю глубину.

Рис. 3. Ход оттаивания грунта: — у сваи; — у стенки

Рис. 4.Зависимость осадки грунта S _g и глубины оттаивания d _th от времени t

Аналогичная картина динамики усилий была получена для третьего и четвертого отсеков, с той лишь разницей, что в третьем отсеке абсолютный максимум совпал с окончанием оттаивания, а в четвертом — успел реализоваться только первый максимум.

Продвижение фронта оттаивания по глубине характеризует величину негативного трения только в той мере, в которой она обусловливает осадку окружающего сваю грунта. Динамика сил негативного трения и происходящая при этом осадка грунта показаны на рис.3.7, из которого видно, что на конец оттаивания перемещение поверхностной марки составляет не менее 180 мм, а наименьшее перемещение (нижней марки на глубине 4м)- около 100 мм. Столь значительные осадки грунта обусловлены оттаиванием ледяных прослойков и были инспирированы для большей очевидности опыта. В естественных условиях осадки могут быть как более, так и менее наблюдаемых в данном опыте, однако для реализации предельных сил негативного трения песчаных грунтов, как следует из испытаний модельных свай, требуется весьма незначительное перемещение грунта относительно сваи, измеряемое несколькими миллиметрами.

На втором этапе испытаний определялась величина перемещения, необходимая для полной ликвидации сил негативного трения. Подвижка отсеков сваи осуществлялась вращением гаек на верхних концах тяг. Одновременно поворачивали по две гайки, что давало возможность смещаться одному отсеку. Зная шаг резьбы и угол поворота гайки, можно определить перемещение отсека. Например, поворот гайки на 60° при шаге резьбы 1,5 мм позволяет отсеку переместиться на 0,25 мм. Отсеки перемещались вниз под действием собственного веса и упругих сил негативного трения, действующих на данный отсек. В результате выявлено, что для полной ликвидации сил негативного трения требуются весьма незначительные перемещения сваи — 0,75–1,0 мм.

Рис. 5. Перемещения глубинных марок

Рис. 6. Зависимость удельных сил негативного трения f _n и глубина оттаивания грунта d _g от времени t . 1 1У — номера секции сваи

Заметим, что приведенные значения не могут рассматриваться как нормируемые, так как они зависят от упругих свойств грунта при сдвиге, то есть вида грунта, его влажности и плотности, а также от величины нормального давления.

После полного снятия сил негативного трения свая была соответствующим образом переоборудована для испытания на выдергивание (этап Ш). Силовой винт (9), при помощи которого производилось выдергивание сваи, устанавливался на верхнюю плиту (5) и через механический динамометр (8) упирался в нижнюю плиту (4), соединенную с опорной трубой (2). Измерение усилий производилось так же, как и в случае воздействия негативного трения — в пределах секций — тензометрами, суммарных динамометром ДОСМ-3–5. Нагрузка прикладывалась ступенями (по 1кН) до полного исчерпания несущей способности, после чего теми же ступенями производилась разгрузка. Таким образом, испытание на выдергивание было повторено три раза, причем в первых двух циклах перемещения фиксировались при каждой ступени нагружения (рис.8), а в третьем — только на последней ступени, когда была исчерпана несущая способность. По трем циклам среднее значение составляет N _выд = 11,5 кН (за вычетом собственного веса сваи), при соответствующем ей среднем значении

трения по боковой поверхности сваи f _ср = 0,007 МПа. Зависимость f _ср от перемещения сваи показана на рис.9. При испытании на выдергивание были проведены также исследования по определению величины обратного (вниз) перемещения сваи, необходимой для уменьшения сил трения, вплоть до полной их ликвидации (рис.10). Следует отметить, что на всех трех этапах испытания суммарные силы негативного трения, измеряемые тензоэлементами и механическим динамометром, оказывались одинаковыми.

Анализ результатов и выводы.

Процесс оттаивания грунта близок к одномерному. По мере оттаивания грунта происходит нарастание осадки грунта, характер ее изменения во времени непосредственным образом связан особенностями осадки вновь наблюдаемое перемещение грунта опытного лотка в плане по мере оттаивания можно оценить в целом как близкое к равномерному.

Значения сил негативного трения в пределах отсеков опытной сваи характеризуются соответствующими максимумами, которые если исключить особенности, связанные с перераспределением избыточной влаги, образующейся из оттаявших ледяных прослойков, и ее подъемом, сохраняются и далее по мере дальнейшего продвижения фронта оттаивания и осадок нижележащих слоев грунта. Максимум этих значений возрастает с

глубиной расположения отсеков (рис.11. б). Исключением является величина максимума для нижнего отсека, где наблюдается некоторое его уменьшение по сравнению с величинами максимумов для вышерасположенных отсеков, что, по-видимому, объясняется влиянием радиальных давлений, передающихся на боковую поверхность сваи, находящуюся вблизи ее торца. Последнее, в свою очередь, обусловлено особенностями конструкции опытной сваи, которые проявляются в том, что при полном оттаивании грунта суммарные силы негативного трения, воздействующие на сваю, передаются через внутреннюю опорную трубу (см.рис.2, поз.2) на торец сваи.

На основании полученных опытных данных о формировании сил негативного трения в процессе оттаивания околосвайного грунта можно сделать следующие выводы:

1. Удельные силы негативного трения достигают своих максимальных значений на рассматриваемой глубине на момент оттаивания грунта на данной глубине и сохраняются при дальнейшем оттаивании нижележащих слоев грунта.
2. Зависимость суммарных сил трения от глубины оттаивания грунта имеет нелинейный характер (рис.11. а).
3. Величины суммарных сил негативного трения и сил трения при выдергивании практически совпадают, достаточно хорошее совпадение наблюдается и в величинах перемещений, необходимых для их ликвидации.

Рис. 7. Зависимость удельных сил негативного трения f _n и осадки оттаивающего грунта S _g от времени t . 1 1У — номера секции сваи

Рис. 8. Зависимость перемещения сваи от нагрузки при выдергивании N _f :1 П- циклы испытания

Рис. 9. Зависимость среднего значения удельных сил трения f _ср при выдергивании сваи от е ё перемещения _р

Рис. 10. Изменение сил трения при выдергивании при перемещении сваи вниз

Рис. 11. Увеличение суммарных сил негативного трения N _n от глубины d _g в процессе оттаивания грунта (а) и распределение удельных сил негативного трения f _n по длине сваи (б)

Литература:

1. Бахромов М. М. Рахмонов Э. Х. Отақулов Б. А. Определение сил негативного трения при оттаивании околосвайного грунта. European science, 2019 Februaru № 1(43)IMPERIAL COLLEGE LONDON, 22–25СТР.
2. Бахромов М. М. Рахмонов Э. Отабоев А. Воздействие сил негативного трения на сваю при просадке грунта. Научно-методический журнал.Проблемы современной науки и оброзования 2019.№ 12(145).Часть 2.31–42 стр.
3. Бахромов М. М. Рахмонов Э.Закономерности воздействия сил негативного трения по боковой поверхности свай. Научно-методический журнал. Проблемы современной науки и оброзования 2019.№ 12(145).Часть 2.69–73 стр.
4. Ведерников Л. Е., Архипов А. С. Несущая способность свайных фундаментов, опущенных в буровые скважины, на оттаивающих грунтах. Отчет ВНИИ-I, — Магадан, I960.
5. Власов В. П. Особенности работы сваи в оттаивающих грунтах // Основания и фундаменты при строительстве в районах Восточной Сибири и Крайнего Севера. — Красноярск, 1981. С. 62–73. (Сб. науч. тр. / Красноярский промстрой НИИ проект.)
6. Пчелинцев А. М. О касательных напряжениях на боковой поверхности фундамента, обусловленных процессом оттаивания грунта // Материалы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. — М.: Академиздат, 1956. — вып. 3. — С. 163–166.
7. СНиП 2.02.01–83. Основания зданий и сооружений. — М., 1985. 41 с.
8. СНи11 2.02.03–85. Свайные фундаменты. — М., 1986. — 44 с.
9. СНиП II-I8–76. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах, — — М., 1977. — 48 с.