УДК 004.942:624.1:625

Рязанов А.В.¹, Усачев А.А.²

¹ ООО «МосФундаментПроект», г. Москва

² ИП Усачев Андрей Анатольевич, г. Саратов

 

Особенности расчета несущей способности буронабивных свай опор мостовых переходов в многолетнемерзлых грунтах

 

     Рассматривается влияние фактора тепловыделения цементных растворов в процессе протекания экзотермической реакции при их твердении (гидратации) в ходе устройства свайных фундаментов из буронабивных свай на формирование температурного режима многолетнемерзлых грунтов (и, соответственно, их несущей способности) в основании опор мостовых сооружений. Показано, что восстановление температур грунтов до начальных (природных) значений после теплового воздействия со стороны буронабивных свай требует значительного времени и в условиях высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов может достигать нескольких лет. Данное обстоятельство не позволяет осуществить передачу проектных нагрузок на фундаменты в строительный период без применения дополнительных мероприятий.

Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, фундамент, буронабивная свая, несущая способность, тепловыделение цементного раствора, гидратация, теплотехнический расчет.

 

Ryazanov A.V.¹, Usachev A.A.²

¹ MosFundamentProekt LLC, Moscow

² IЕ Usachev Andrey Anatolyevich, Saratov

 

Features of calculating the bearing capacity of bored piles of bridge crossing supports in permafrost soils

 

     The influence of the factor of heat release of cement mortars during the course of an exothermic reaction during their hardening (hydration) during the construction of pile foundations from bored piles on the formation of the temperature regime of permafrost soils (and, accordingly, their bearing capacity) at the base of the supports of bridge. It is shown that the restoration of soil temperatures to the initial (natural) values after thermal exposure from bored piles requires considerable time and in conditions of high-temperature permafrost soils can reach several years. This circumstance does not allow the transfer of design loads on foundations during the construction period without the use of additional measures.

Keywords: permafrost soils, foundation, bored pile, bearing capacity, heat release of cement mortar, hydration, thermal engineering calculation.

Введение.

     Устройство фундаментов под опоры мостовых переходов в основаниях, представленных многолетнемерзлыми породами, подразумевает применение буронабивных свай. Нормативными документами (СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах») при проектировании фундаментов на многолетнемерзлых основаниях, в том числе с применением буронабивных свай, в процессе выполнения прогнозных теплотехнических расчетов температур грунтов оснований для определения их несущей способности предписывается учитывать тепловое влияние бетонов на вмещающие грунты, которое имеет место быть в ходе формирования тела сваи. При этом, в нормативной литературе отсутствуют конкретные методические указания по учету теплового влияния бетонов и цементно-песчаных раствор свай на грунты основания. В следствие этого часто в практике проектирования в теплотехнических расчетах в лучшем случае учитывается предполагаемая температура бетона в момент его укладки в полость скважины. Температура применяемых растворов в момент укладки составляет порядка +20…+25°С. Однако, имеет место и другая существенная составляющая теплового влияния бетонов, которая сегодня практически не учитывается при выполнении численных расчетов температур грунтов оснований – дополнительные тепловыделения цементных растворов вследствие протекания экзотермической реакции в процессе их твердения (гидратации).

 О тепловыделениях при гидратации бетонов.

     Количество тепла, выделяемого цементными растворами в процессе их твердения различно в зависимости от состава и марки [3, 4]. Так, для марок цементного раствора и бетона от М100 до М300 и от В7,5 до В25 количество выделяемого при гидратации одного кубического метра раствора тепла составляет 65-201 МДж. Такие тепловыделения при адиабатически (без возможности отвода тепла) протекаемом процессе твердения способны приводить к повышению температур раствора на 32-100°С (Таблица 1).

     Процесс гидратации растянут во времени, при этом в относительно небольшом объеме тепловыделения в массиве бетона могут прослеживаться на временном отрезке, существенно превышающем 28 суток. Тем не менее, наиболее интенсивно тепловыделения происходят в течение первых 4-8 суток существования раствора (Рисунок 1).

     Сравнительный анализ значений теплоты твердения различных по составу и маркам цементных растворов показывает, что привносимое таким образом количество тепла в грунты основания достаточно для оттаивания в 2-5 раз большего объема мерзлых грунтов по сравнению с задействованным на формирование буронабивных свай объемом цементного раствора.

     С практической точки зрения интересно было бы оценить влияние рассматриваемого фактора на формирование температур грунтов основания по результатам теплотехнического моделирования применительно к конкретной ситуации. В качестве примера рассмотрим один из мостовых переходов Забайкальского края.

 

Таблица 1

Количество выделяемого тепла и соответствующий этому подъем температуры при адиабатическом процессе твердения цементного раствора.

  

 

Рисунок 1. Кинетика тепловыделения в процессе гидратации цементных растворов [5].

 

 

Краткая характеристика природных условий.      Мостовой переход через водоток находится на участке, характеризуемом климатическими условиями, взятыми с метеорологической станции Большая Лепринда. В целом климат района резкоконтинентальный. Среднегодовые температуры воздуха составляют минус 6°С, наиболее холодный месяц – январь со среднемесячными значениями воздуха минус 26,3°С, наиболее теплый месяц – июль, характеризующийся среднемесячными значениями температур воздуха, равными плюс 14,9°С. Период положительных температур воздуха – с мая по сентябрь. Число дней со снежным покровом составляет 193 дня в году. Среднее значение высоты снежного покрова порядка 20-30 см.      Суровые климатические условия предопределили существование многолетнемерзлых пород (ММП). Вследствие расчлененности рельефа преобладают ММП прерывистого и массивно-островного типа с площадью распространения от 25 до 95%, мощностью от 50 до 300 м и среднегодовыми температурами мерзлых пород от минус 1 до минус 4°С. В отрицательных формах рельефа температура грунтов составляет 0…минус 2,5°С, толщина слоя ММП 15-120 м. На участках водоемов и водотоков формируются талики, преимущественно несквозного типа.      На участке мостового перехода среднегодовые температуры грунтов составляют порядка минус 0,5°С. Инженерно-геологический разрез представлен переслаиванием суглинков слабольдистых со значениями суммарной влажности порядка 20% и температурой начала замерзания минус 0,24°С, супесей слабольдистых с суммарной влажностью 18%, и температурой начала замерзания минус 0,19°С, глин слабольдистых с суммарной влажностью 26% и температурой начала замерзания минус 0,25°С (Рисунок 2).
	Рисунок 2. Модель мостового перехода. Границы инженерно-геологических элементов.
Прогнозные теплотехнические расчеты температур грунтов основания.
Теплотехническое моделирование выполнялось с использованием специализированного программного комплекса Борей 3D, реализующего методом конечных разностей математический аппарат численного моделирования распространения температурных полей в грунтовом массиве с учетом фазового перехода незамерзшей воды в спектре отрицательных температур (Рисунок 3).      Расчет производился для моста протяженностью 24 м, опирающегося на две опоры, расположенный на противоположных берегах водотока с шириной русловой части порядка 8 м и глубиной водотока до 0,7-0,8 м. Опоры установлены на свайный куст из 12-ти набивных свай диаметром 1020 мм длиной в грунте 14 м, расположенных тремя рядами по 4 сваи в ряду (Рисунок 2). Шаг свай 2,3х2,1 м.      Теплотехническое моделирование осуществлялось исходя из того, что формирование опор мостового перехода и свайного фундамента, а также отсыпка насыпи на подходах к мосту происходила в марте. Температура бетонной смеси при производстве строительных работ была задана равной плюс 20°С.     Результаты теплотехнического моделирования показывают, что уже в первые недели после заливки бетона в грунты на этапе устройства свайного фундамента происходит повышение грунтов основания вокруг свай. При этом, к октябрю первого года, то есть через 6 месяцев после устройства свайного фундамента, происходит растепление грунтов практически по всей дине свай вплоть до перехода их в талое состояние в интервале глубин 1,5-9 м от уровня естественной поверхности (Рисунок 4).
	Рисунок 3. Модель мостового перехода. Распределение температур в грунтовом массиве.

 

  

Рисунок 4. Расчетные температурные поля грунтов основания свайных фундаментов опор.

 

     Очевидно, что при условии применения принципа I использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания в рассматриваемой ситуации передача проектной нагрузки на свайный фундамент и его дальнейшая эксплуатация без дополнительных мероприятий по термостабилизации грунтов не представляется возможной.

     По завершении процесса интенсивного тепловыделения за счет гидратации цементного раствора происходит постепенное восстановление температур грунтов основания под воздействием теплового влияния окружающих грунтов, а также со стороны верхней границы грунтового массива. Принимая во внимание, что изначальные температуры грунтов характеризовались достаточно высокими отрицательными значениями, процесс восстановления температурного поля занимает длительное время.

     Практически полное восстановление температурного режима на рассматриваемом примере происходит лишь к октябрю 10-го года.    

Выводы.

1)    Тепловыделение при гидратации бетонов является существенным фактором теплового влияния на грунты, который наиболее интенсивно сказывается в первые месяцы существования свайного фундамента, то есть как раз в тот период времени, когда принимаются решения о передачи на них нагрузки.

2)    Для оценки влияния фактора тепловыделения при гидратации бетонов уже сегодня с достаточно высокой степенью эффективности могут быть применены программные комплексы для расчета температурного режима грунтов, имеющие в своем составе модуль расчета тепловыделения бетонов при их твердении.

3)    Рассматриваемый фактор требует продолжения исследования проблемы путем проведения натурных исследований теплового взаимодействия свай и вмещающих грунтов и внесения соответствующих дополнений в состав нормативных документов для обеспечения необходимой эксплуатационной надежности оснований фундаментов из буронабивных свай.  

 

Библиографический список:

1. СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. СНиП 2.02.04-88».
2. СНиП 82-02-95 Федеральные (типовые) элементные нормы расхода цемента при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций
3. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера. / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1982г.
4. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетона. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. –386 с.
5. Руководство по электротермообработке бетона. М., Стройиздат, 1974г. 255с.