Рассмотрен процесс промерзания грунтов вокруг неотапливаемых инженерных сооружений и зависимость деформации фундамента водопропускной трубы от физико-механического состояния глинистых пучинистых грунтов. Представлен способ соблюдения устойчивости сооружения против сил морозного пучения при применении двуконусных свай в конструкции фундамента.
Ключевые слова: водопропускная труба, неотапливаемые инженерные сооружение, свая, глинистый грунт, пучинистый грунт.
Фундаменты зданий и инженерных сооружений, расположенных в зоне сезонного промерзания грунтов, подвергаются воздействию деформационных сил морозного пучения. Морозное пучение грунтов относится к физико-механическим процессам, в результате которых промерзающий грунт находится напряженно-деформированном состоянии под действием термодинамических изменений. Возникающие напряжения настолько значительны, что могут вызвать: деформации зданий и сооружений, смещение (искривление) железнодорожной колеи, опор мостов, разрушение покрытий автомобильных дорог и т. д. Изучение морозного пучения стало предметом исследования многих ученых. Впервые, физически верное объяснение причин пучения грунта за счет миграции влаги из нижележащих в верхние промерзающие слои выдвинул В. И. Штукенберг в 1885 г. Этой проблемой так же занимались русские ученые С. Г. Войслав, П. Н. Любимов, Н. С. Богданов; в 30-е годы XX века — Н. Д. Белокрылов, Н. В. Орнатский, О. Н. Ринк, М. И. Сумгин и. д.; в 40-е годы — Н. И. Быков, С. С. Вялов, М. С. Гутман, Б. И. Далматов и др.; позже — П. А. Аббасов, Е. В. Андреева, А. А. Бартоломей, В. И. Берман, О. К. Вострецов, Л. Б. Ганелес, Ю. Д. Дубнов, Э. Д. Ершов, В. Н. Зекин, И. А. Злотарь, В. Д. Карлов, О. П. Медведева, В. О. Орлов, Б. Г. Петров, А. М. Пчелинцев, В. С. Сажин, И. И. Сахаров, И. И. Туренко, Н. А. Тютюнов, В. В. Фурсов, В. Я. Хаин, Н. В. Шейкин, В. Я. Шишкин, Б. С. Юшков и др.
Исследования теплового взаимодействия подземных инженерных сооружений и окружающего пучинистого грунта с целью правильного решения вопросов проектирования, строительства и их эксплуатации имеют большое как научное, так и практическое значение.
Анализ причин деформации зданий и сооружений, происходящих в результате воздействия на них сил морозного пучения грунта, показывает, что они возникают в тех случаях, когда в проектах не предусмотрены соответствующие противопучинистые меры, направленные на обеспечение устойчивости сооружений как в процессе их возведения, так и в период эксплуатации. Эти силы проявляются при морозном пучении грунта около заглубленных в грунт конструкций (фундаментов легких сооружений, колодцев, подземных коммуникаций, трубок для отвода конденсата и т. д.)
Распределение температуры в грунте по глубине имеет существенное значение при сооружении и эксплуатации водопропускной трубы, поэтому подошву фундамента сооружения рекомендуется закладывать ниже зоны промерзания грунта. По мере усиления морозов будет увеличиваться и глубина промерзания грунта. Когда глубина промерзания достигнет уровня подземных грунтовых вод, начнется их превращение в лед, а вместе с этим и вспучивание, «вздутие» грунта. Это неприятное явление усугубляется еще и тем, что вспучивание практически никогда не бывает равномерным и в разных местах фундамента подъем грунта будет неодинаковым. Следствие этого — перекос фундамента, перераспределение нагрузок в нем и во всем строении, возможность появления трещин. Если бы процесс шел равномерно, то проблеме вспучивания грунта не нужно было бы уделять столько внимания.
Температурный режим грунта зависит от того являются ли находящиеся в (на) нем сооружения источником или поглотителем тепла.
Характер промерзания грунтов в непосредственной близости у фундаментов зданий и сооружений существенно зависит от теплового режима последних.
У фундаментов неотапливаемых зданий и сооружений вследствие большей температуропроводности материала фундамента по сравнению с окружающим его грунтом кривая проникновения нулевой изотермы или границы промерзания грунта искривляется вниз.
У фундаментов отапливаемых сооружений кривая проникновения нулевой изотермы или граница промерзания грунта, в отличие от вышерассмотренных случаев, как правило, имеет иной вид.
Результаты исследований показывают, что глубина промерзания грунта около отапливаемых зданий и сооружений бывает на 30–50 % меньше, чем в естественных условиях на некотором удалении от них [3].
Замечено, что в сооружениях, имеющих в плане удлиненную форму, наибольшую осадку получают средние части. Действительно, если подстилающие грунты по всей длине сооружения, сложенного из одних и тех же материалов и с одной площадью сечения, имеют сравнительно одинаковые физико-механические свойства, а осадки и напряжения в основании близки к нормативным, то повреждения здесь может вызвать фактическое распределение напряжений в основании. Установлено, что на концевых участках нагрузка распределяется по большей площади. Следовательно, концы сооружения, получая большую площадь опоры, имеют и меньшую осадку. К сожалению, при строительстве водопропускных труб данное утверждение не совсем верно, это обуславливается особенностью конструкции водопропускной трубы, так как оттаивание грунта и насыщения его свободной водой в первую очередь происходит у входного и выходного оголовков, а средняя часть трубу достаточно продолжительное время может оставаться в мерзлом состоянии. Скопившийся в ледяных линзах и прослойках лед в верхней части оттаивает, и поры грунта заполняются свободной водой. В этот расчетный по состоянию грунта период могут возникнуть просадки, которые приводят к разрыву стыков водопропускных труб.
На практике стыки между звеньями и фундаментами труб нередко расстраиваются вследствие неравномерной осадки основания. При слабых основаниях осадки сопровождаются выдавливанием грунта в стороны оголовков.
Структура конструкции трубы в продольном направлении состоит из тела трубы, которое в свою очередь образуется из отдельных секций, и оголовков трубы [5]. Слабо уплотненная насыпь «растягивается» вдоль трубы, которая при этом удлиняется за счет увеличения осадочных швов каждой секции.
В настоящее время известен довольно широкий набор мероприятий, направленных на борьбу с действием сил морозного пучения: инженерно-мелиоративные мероприятия (тепломелиорация; гидромелиорация), строительно-конструктивные мероприятия (проектирование сооружений на столбчатых и свайных фундаментах; уменьшение количества отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору; уменьшение сечения столбчатых фундаментов и свай в пределах слоя промерзающего пучинистого грунта; применение для обмазки боковой поверхности фундаментов вязких н смерзающихся материалы, а так же гидрофобизирующих пропиток; заанкеривание фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже сезоннопромерзающего слоя и т. д.), физико-механические мероприятия (специальная обработка грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства; насыщение грунта солевыми растворами, понижающими температуру замерзания и тем самым способствующих уменьшению глубины промерзания грунта), физические противопучинистые мероприятия (метод стабилизации грунтов посредством введения в них добавок противопучинистых компенсирующих веществ, обладающих определенными объемно-деформационными свойствами) [1]. При этом существует общестроительные документы, регламентирующие методики расчетов и применение мероприятия по борьбе с морозным пучением, а также отраслевые и ведомственные методические рекомендации, в которых отражены особенности отрасли и возводимых инженерных сооружений. Так, например, в дорожном строительстве главными методами борьбы с пучинообразованием являются применение обмазок и покрытий, препятствующих их смерзанию с грунтом, снижение влажности грунтов основания, замена пучинистого грунта основания на непучинистый и, наконец, увеличение глубины заложения фундаментов.
Следовательно, не существует единого набора мероприятий, которые могут гарантированно обезопасить любое искусственное инженерное сооружение от деформаций и разрушений вследствие действия сил морозного пучения. Всегда при выборе мероприятий следует руководствоваться особенностями местных условий, применяемых материалов и конструкций, экономическим соображениям и т. д. Очевидно, что одновременное применение различных мероприятий в определенных сочетаниях позволит достичь главной цели — эффективной и безопасной работы инженерного сооружения в течение запланированного расчетного срока службы. Однако применение целых комплексов мер требует и осуществления целых комплексов затрат, что существенно удорожает стоимость строительства в целом.
На основании изложенного одним из наиболее распространенных способов борьбы с морозным пучением в сезоннопромерзающих грунтах является применение свайных фундаментов.
В практике строительства свайные фундаменты используются давно. Наиболее широкое применение получили железобетонные сплошные сваи квадратного сечения, имеющие низкую удельную несущую способность, высокую материалоемкость и большую массу. По этим причинам возникла необходимость разработки более эффективных конструкций свай: составные сваи, сваи-колонны, пирамидальные, плоскопрофилированные, пустотелые призматические, конические и таврового сечения, сваи с лопастями, набивные сваи с различной формой продольного и поперечного сечения, а также сваи в пробитых и вытрамбованных скважинах.
Анализ большого разнообразия новых конструкций свай показал, что еще не найдена оптимальная конструкция, которая была бы лишена недостатков и в которой с максимальной эффективностью использовалась бы несущая способность сваи по грунту и материалу ствола. Мнение исследователей о целесообразности применение свай того или иного вида весьма противоречивы и во многом зависят от грунтовых условий. Для определения взаимодействия грунта и сваи необходимо решить вопросы, касающиеся сопротивления грунта основания сваи, его напряженного состояния выпора, осадки и несущей способности свай.
Следует отметить, что эффективность применения двуконусных свай многократно доказана. Несущая способность таких свай в 2–2,5 раза больше несущей способности обычных призматических свай [2]. Однако массового применения в строительстве, особенно в слабых пылевато-глинистых грунтах, двуконусные сваи не нашли, так как еще недостаточно изучена их работа в грунте.
Вопрос о возможности применения двуконусных свай решается на основе анализа данных изысканий, проектируемой длины свай, исходя из несущей способности свай по грунту, сведений об имеющихся сваепогружающих механизмов и т. д. Применение фундаментов в виде кустов из двуконусных рекомендуется при строительстве малых искусственных сооружений, путепроводов, эстакад, тоннелей и других сооружений. Двуконусные сваи рекомендуется применять при погружении в напластовании глинистых грунтов текучепластичной, мягкопластичной, тугопластичной консистенции. При этом возможно прорезание прослойки следующих видов грунтов:
- суглинки и глины полутвердой т твердой консистенции — 1,0 м;
- суглинки и глины тугопластичной консистенции — 3,0 м.
Опирание сваи рекомендуется осуществлять на суглинки и глины полутвердой, твердой консистенции. Фундаменты из двухконусных свай применимы по деформациям пучения в пучинистых и слабопучинистых грунтах без ограничений.
Для оценки эффективности применения двуконусных свай может быть использован коэффициент эффективности [5] 
, где 
— удельная несущая способность материала двуконусной сваи, кН/м3; 
— удельная несущая способность материала призматической сваи, кН/м3.
Опыт строительства дорог показал, что многие трубы деформируются. Наибольшие деформации испытывают трубы на глинистых грунтах (удлинение, отжим оголовков, осадки, трещины в звеньях).
При применении двуконусных свай необходимо учитывать подъем свай от действия сил морозного пучения. Опираясь на данные экспериментальных исследований, полагают, что в процессе подъем свай действующая на нее выталкивающая сила морозного пучения уменьшается по линейному закону [5]: 
, где 
— действующая на сваю сила морозного пучения, кН; 
— подъем сваи, м; 
— подъем свободной поверхности грунта, м.
Подъем сваи прекращается, когда выполнение равенство [5]:
, где
N — нагрузка на сваю, кН; Р — вес сваи, кН; Pn — сила создаваемая нормальным давлением при пучении грунта, кН; 
— расчетное сопротивление грунта основания на боковой поверхности сваи, кН/м2; 
- периметр сваи, м; 
— длина сваи, м.
Сила морозного пучения определяется по формуле [5]:
, где
— максимальная глубина промерзания грунта, м; 
— глубина смерзания пучинистого грунта с поверхностью сваи, м: 
, где 
— нормативная глубина промерзания грунта, м; 
— коэффициент смерзания, зависящий от природно-климатических условий. b иd — расчетные коэффициенты, зависящие от геометрических характеристик двконусной сваи, 
— коэффициент периодичности, м-1; 
и 
— значения функции Макдональда нулевого и первого порядка соответственно; 
— коэффициент общей относительной поперечной деформации грунта.
При расчете морозного пучения группы свай необходимо учитывать их взаимное влияние.
Особенности поведения свайного куста при морозном пучении обусловлены взаимодействием полей напряжений, возникающих вокруг одиночных свай при их подъеме от морозного пучения грунта. Полная сила, действующая на сваю куста, может быть представлена в виде суммы двух слагаемых [5]: 
, где — сила морозного пучения, действующая на обособленную одиночную сваю (не входящую в состав куста); 
— сила, определяемая суммой полей напряжений, возникающих в грунте при подъеме свай куста, которые при этом рассматриваются как обособленные.
Несущую способность двуконусных свай с использованием табличных значений расчетных сопротивлений по острию и боковой поверхности определяют согласно п.4.4 СНиП 2.02.03–85 без учета верхнего конуса [5]:
, где
— коэффициент условий работы свай в грунте; 
— расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; 
— площадь опирания сваи на грунт, м2; 
— толщина i-ого слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
–наружный периметр i-ого поперечного сечения сваи, м; 
— расчетное сопротивление i-ого слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа; 
— сумма размеров сторон i-ого поперечного сечения сваи, который имеет наклон к оси сваи, м; 
— наклон боковых граней сваи в долях единицы; 
— модуль деформации i-ого слоя грунта, окружающего боковую поверхность сваи, Мпа; 
— коэффициент, зависящий от вида грунта; 
— реологический коэффициент.
При погружении сваи в водонасыщенные глинистые грунты возникают дополнительные давления в поровой воде, происходит нарушение структурных связей скелета грунта. После погружения сваи силы трения по боковой поверхности практически равны нулю. С течением времени наблюдается релаксация напряжений, поровое давление затухает, а давление в скелете грунта возрастает до стабилизированных значений. Одновременно происходит тиксотропное упрочнение грунта вызванное развитием в грунте новых структурных связей в следствие увеличения их количества в единице объема при уплотнение грунта сваями и упрочнения грунта под действием возникающих напряжений. Тиксотропное упрочнение и консолидация грунтов неразрывно связано между собой. Сваи погруженные в водонасыщенные грунты достигают полной несущей способности после окончания этих процессов.
Исследованиями установлено, что при работе двуконусных свай в водонасыщенных глинистых грунтах их несущая способность со временем увеличивается более чем в 1,9 раза по сравнению с первоначальной. Несущая способность свай с учетом фактора времени определяется по формуле [5]: 
, где 
— несущая способность свай фундамента, определенная по результатам статического зондирования; 
— степень консолидации.
Для расчета осадок конических свай используется формула [5]: 
, где 
— осадка свайного фундамента, м; 
— погонная нагрузка на свайный фундамент за вычетом силы, уравновешиваемой вертикальной составляющей F, сил бокового отпора грунта; 
— модуль деформации грунта активной зоны с учетом уплотнения грунта под сваям в результате их погружения, Мпа; 
— безразмерная компонента перемещения.
Из выше сказанного следует отметить перспективность широкого использования двуконусных свай в конструкциях на слабых водонасыщенных глинистых сезоннопромерзающих пучинистых грунтах
Двуконусные сваи работают лучше в сезоннопромерзающем грунте, увеличивают несущую способность за счет уклона боковой поверхности, снижают величину выпучивания от действия сил морозного пучения, по сравнению с призматическими и цилиндрическими.
Анализ различных конструктивных приемов показал, что одним из более целесообразных решений для строительства неотапливаемых сооружений на глинистых пучинистых грунтах является использование свайных фундаментов.
Литература:
1. Б. С. Юшков. Экспериментально-теоретические основы расчета фундаментов из двуконусных свай, устраиваемых в сезоннопромерзающих грунтах. Пермь «ОТ и ДО», 2014
2. Б. С. Юшков, Л. В. Дуракова, И. В. Ширинкин. Определение несущей способности свай во времени. Материалы всесоюзного совещания-семинара «Современные проблемы свайного фундамента в СССР». — Пермь,1988
3. Б. С. Юшков, И. В. Ротт. Влияние морозного пучения на подпорные стенки и разработка метода борьбы с пучинистостью. Сборник научных трудов XII НТК молодых ученых. — Пермь, 1986
4. Яковлев Ю. М., Горячев М. Г. Строительство водопропускных труб на автомобильных дорогах. Москва, 2011
5. Рекомендации по применению двуконусных свай на пучинистых грунтах транспортных сооружений. Пермь «ПНИПУ», 2013
6. Энциклопедия современной техники. Москва «Советская энциклопедия», 1964
