ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СВАЙ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ ОСНОВАНИЯ.

 

Рязанов А.В., Усачев А.А.

 

ОАО «Фундаментпроект», rav@fundamentproekt.ru

 

Распространенным техническим решением фундаментов на Севере является устройство свай-оболочек. В связи с введением СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» заполнение свай-оболочек начало вестись бетоном. Вследствие протекания экзотермической реакции твердения (гидратации) цемента происходит выделение значительного количества тепла. Это обстоятельство является дополнительным существенным фактором повышения температуры многолетнемерзлых грунтов (ММГ) основания. В СП 25.13330.2012 изложены требования е проектированию фундаментов из свай-оболочек, однако методически вопрос об учете их теплового воздействия на ММГ сегодня остается недостаточно проработанным для практического применения.

Многолетнемерзлые грунты, свая, тепловыделение, гидратация бетона, экзотермическая реакция, теплотехническое моделирование.

 

Ранее, в строительной практике на Севере при устройстве свайных фундаментов с использованием свай-оболочек допускалось в качестве заполнителя затрубного и внутритрубного пространства применение грунта, выбуренного шлама, сухих цементно-песчаных смесей и пр. [7]. Вопрос учета воздействия свай-оболочек при тепловых расчетах грунтов оснований был не актуален ввиду небольшого влияния этого фактора. С введением в действие СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88», начался виток практически повсеместного применения бетонирования тела свай на ММГ. Требованиями СП 25.13330.2012 (п.6.3.10) в отличие от ранее действовавшего одноименного СНиП 2.02.04-88 предусматривается: «… Полые сваи и сваи-оболочки, не требующие по расчету бетонного заполнения, допускается заполнять бетоном класса не ниже В7,5, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания и выше - бетоном класса не ниже В15, …».

Бетонирование буронабивных, буроопускных и бурозабивных свай давно применяется в строительстве на Севере. Существует ряд нормативно-технической документации, посвященной теплотехническим расчетам устройства буронабивных свай в условиях многолетнемерзлых грунтов [1, 4, 5]. В части теплотехнических расчетов основное внимание в данных документах уделено вопросам обеспечения температурного режима одиночной сваи необходимого для набора прочности бетона или расчет времени достижения температуры грунтов на поверхности сваи равной 0 ⁰С. Ни один из указанных документов не рассматривает вопросы расчета или обеспечения теплового режима грунтов оснований свай, располагающихся в составе куста или по сетке под зданием. Между тем, применение бетона или цементно-песчаного раствора для заполнения тела сваи-оболочек до сих пор ведется, как правило, без должного учета его теплового воздействия на многолетнемерзлые грунты оснований. Расчеты нагруженных сооружений в основании которых располагаются плотные кусты буроопускных свай большого диаметра показывают, что тепловое воздействие бетона приводит к значительному повышению температур грунтов оснований (Рис. 1).

 

 

Рисунок 1. Пример разреза расчетного температурного поля грунтов в основании резервуарного парка спустя 2 месяца после погружения свай.

 

Объемы выделения тепла при экзотермической реакции твердения (гидратации) цемента значительны и различаются в зависимости от марки и состава цемента [3, 6]. При неизвестной марке и составе цемента объем полного тепловыделения может быть принят как некоторое среднее значение на уровне 335 кДж/кг [6]. Таким образом, в случае адиабатического процесса твердения (т.е. без отвода тепла), объем тепловыделения бетона В7,5 за весь период реакции, приводил бы к повышению температуры бетона на 32⁰С к уже имеющейся температуре бетонной смеси в момент ее укладки. Пример графика повышения температуры бетона приведен на рисунке 2. А в процессе твердения бетона марки М300 в объеме 1 м3 выделяется до 201 МДж тепла, что в условиях адиабатического режима способствует повышению температуры на 99,7⁰С.

Рисунок 2. Пример кривой подъема температуры бетона, твердевшего в адиабатических условиях [2].

 

Сравнительный анализ значений теплоты твердения (гидратации) цементов показывает, что объем тепла, вносимый в мерзлый грунт с бетоном, сопоставим с объемом тепла необходимого для полного оттаивания грунта в 2-5 раз большего объема (в зависимости от марки бетона и влажности грунта).

Тепловыделение в значительной мере влияет на температуры грунтов оснований в первые месяцы после погружения свай. Как раз в те моменты, когда необходимо принимать решения о передачи нагрузки на фундаменты и продолжении строительных работ.

В связи с этим, при выполнении тепловых расчетов многолетнемерзлых грунтов необходимо учитывать тепловое воздействия при гидратации бетона. Учет этого воздействия осложняется тем, что кинетика тепловыделения при гидратации цемента зависит от продолжительности твердения, температуры твердения, марки и состава бетона, а также от типа и количества противоморозных добавок [2, 3, 6].

Для анализа теплового влияния свайного поля произведена серия расчетов на специализированном программном комплексе Борей 3D (www.boreas3d.ru). Расчеты выполнялись с использованием среднемесячных параметров метеостанции г. Надым. В качестве вмещающих грунтов оснований принят мерзлый суглинок с значением влажности, равной 20%. Начальная температура грунтов основания составляла минус 1⁰С. Погружение свай принято буроопускным способом. Начальная температура укладываемого бетона плюс 20⁰С. Момент запуска расчета принят 15 октября. За восстановление температурного поля грунтов принимается момент времени, при котором температуры отличается от исходных не более чем на 0,1⁰С.

Результаты расчетов показывают, что скорости восстановления исходного температурного поля грунтов в зависимости от диаметра свай и плотности свайного поля изменяются в широком диапазоне от 1 месяца до 4,2 года (см. Таблицу 1).

 

Рисунок 3. Сроки восстановления температурного поля грунтов в основании 16 свай Ø325 с шагом 3х3 метра.

 

Таким образом, очевидно, что тепловыделения в многолетнемерзлые грунты основания в процессе гидратации бетона свайных фундаментов вносят существенный вклад в формирование температурного режима основания и, соответственно, его несущей способности. Срок восстановления температурного режима грунтов основания может изменяться в широком интервале времени. Данный фактор необходимо учитывать при проектировании фундаментов на многолетнемерзлых грунтах с учетом кинетики тепловыделения при гидратации бетонов.   

 

Список литературы

 

  1. ВСН-01-76 «Инструкция по проектированию и устройству буронабивных свай-стоек в вечномерзлых грунтах района Норильска». НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.
  2. Дворкин Л.И., Гоц В.И., Дворкин О.Л. Испытания бетонов и растворов. Проектирование их составов. – 2-е изд. – М.: Инфра-Инженерия, 2015. – 432 с.
  3. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Расчетное прогнозирование свойств и проектирование составов бетона. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. –386 с.
  4. Рекомендации по технологии устройства и теплотехническим расчетам буронабивных и комбинированных свай в вечномерзлых грунта. ВНИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Москва 1990г. 29 с.
  5. Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах. Академия наук СССР. Сибирское отделение. Якутск 1991г.
  6. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях, районах Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера. / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1982г.
  7. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
  8. СНиП 82-02-95 Федеральные (типовые) элементные нормы расхода цемента при изготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций

 

 

 

THERMAL IMPACT OF PILES ON PERMAFROST SOILS OF THE BASE.

 

Ryazanov A.V., Usachev A. A.

 

JSC «Fundamentproect», rav@fundamentproekt.ru

 

The device of pile-shells is a common technical solution in the North. filling of pile shells began to be carried out with concrete in connection with the introduction of SP 25.13330.2012 " Soil bases and foundations on permafrost soils». Due to the exothermic reaction of cement hardening (hydration), a significant amount of heat is released. This circumstance is an additional significant factor in increasing the temperature of permafrost soils (MMG) of the base. SP 25.13330.2012 sets out the requirements for the design of foundations made of pile shells, but methodically the issue of accounting for their thermal impact on MMG today remains insufficiently developed for practical application.

Permafrost soils, pile, heat release, concrete hydration, exothermic reaction, heat engineering modeling.

Обратная связь