Мониторинг деформаций строящихся зданий на грунтах пучения

"Научный аспект №6-2024" - Строительство и арх.

УДК 699.8

Шаклеин Илья Олегович – инженер геодезист, генеральный директор ООО «ГИДКАДАСТР».

Аннотация: Актуальность работы обусловлена необходимостью мониторинга деформаций строящихся зданий на грунтах, подверженных пучению, что представляет значительную угрозу для долговечности и безопасности конструкций. Работа посвящена анализу методов и технологий, направленных на выявление и снижение деформаций, вызванных морозным пучением грунтов. В статье рассмотрены современные методы мониторинга, такие как геодезические измерения, инструментальные методы и дистанционные технологии. Проведены экспериментальные исследования по применению различных мероприятий, включая гидромелиорацию, физико-химические методы и армирование геосинтетическими материалами. Основные результаты показывают, что комплексный подход к мониторингу и управлению деформациями позволяет значительно повысить надежность строительных конструкций. Также выявлено, что использование геосинтетиков является перспективным направлением, требующим дальнейшего изучения для его широкого применения в различных климатических условиях.

Ключевые слова: мониторинг деформаций, морозное пучение, геодезические измерения, инструментальные методы, дистанционные технологии, гидромелиорация, физико-химические методы, армирование геосинтетиками, строительные конструкции, грунтовые основания.

Введение

В современных условиях строительства особую значимость приобретает проблема мониторинга деформаций строящихся зданий на грунтах, подверженных пучению. Процесс пучения грунта представляет собой увеличение объема грунта вследствие замерзания содержащейся в нем воды, что приводит к значительным деформациям оснований и фундаментов зданий. Эти деформации могут вызвать серьезные повреждения строительных конструкций, что особенно актуально для регионов с холодным климатом, где пучинистые грунты широко распространены.

Морозное пучение грунтов обусловлено рядом факторов, таких как состав грунта, влажность и глубина промерзания. Это явление оказывает существенное влияние на надежность и долговечность строительных объектов, требуя особого подхода к проектированию и возведению фундаментов. Традиционные методы, включающие заглубление фундаментов ниже уровня промерзания, зачастую приводят к значительному увеличению затрат на строительство.

Целью настоящего исследования является анализ существующих методов мониторинга деформаций строящихся зданий на пучинистых грунтах и разработка рекомендаций по их оптимальному применению. В исследовании рассматриваются современные технологии и инструменты, позволяющие эффективно выявлять и контролировать деформации фундаментов в режиме реального времени. Особое внимание уделяется геодезическим методам, применению датчиков деформаций, инклинометров и спутниковой съемки, которые обеспечивают высокую точность данных о состоянии грунтовых оснований и фундаментов.

Задачи исследования включают:

1. Изучение теоретических основ пучения грунтов и его влияния на строительные конструкции.
2. Анализ существующих методов мониторинга деформаций фундаментов.
3. Оценка эффективности различных технологий и оборудования для мониторинга.
4. Разработка рекомендаций по предотвращению и минимизации деформаций фундаментов на пучинистых грунтах.

Проведение данного исследования позволит разработать комплексные подходы к мониторингу и управлению деформациями зданий, что существенно повысит надежность и долговечность строительных конструкций на пучинистых грунтах. Внедрение передовых методов и технологий в строительную практику обеспечит своевременное выявление и устранение негативных последствий пучения грунтов, снижая риски и затраты на эксплуатацию зданий и сооружений.

Материалы и методы

Для исследования деформаций строительных конструкций на пучинистых грунтах применялся комплексный подход, включающий геодезические, инструментальные и дистанционные методы. Геодезические методы, такие как нивелирование и тахеометрия, использовались для измерения смещений. Инструментальные методы включали датчики деформаций и инклинометры для мониторинга изменений. Дистанционные методы, спутниковая съемка и лазерное сканирование, обеспечивали детализированные данные. Оборудование включало нивелиры, тахеометры, GPS-станции, датчики деформаций и инклинометры. Для анализа данных использовалось программное обеспечение AutoCAD Civil 3D, ArcGIS, Surfer и PLAXIS.

Литературный обзор

Значительный вклад в развитие методов мониторинга деформаций зданий на пучинистых грунтах внесли Скворцов Д.С., Краев А.Н. и Жайсамбаев Е.А. В своих работах они систематизировали способы борьбы с морозным пучением, такие как тепловая мелиорация, гидромелиорация, физико-химические мероприятия, строительно-конструктивные решения и армирование геосинтетическими материалами. Их исследования показали эффективность различных материалов, включая пенопласт, пенополиуретан и геосинтетики, для уменьшения промерзания грунтов и предотвращения деформаций фундаментов [11].

Особое внимание в своих исследованиях уделили Мельников А.В., Дорофеев А.А. и Крутиков В.А. Они детально изучили влияние теплоизоляционных материалов на пучинистые свойства грунтов. В их работах рассматривались различные теплоизоляционные материалы, такие как экструдированный пенополистирол и стеклянная вата, и их влияние на снижение глубины промерзания грунтов [2].

Гидромелиорационные методы подробно исследовали Ярмолинский А.И. и Лопашук В.В. В своих работах они предложили устройство дренажных систем для отвода поверхностных и подземных вод, что позволяет уменьшить льдистость грунтов и, соответственно, их пучение. Их исследования показали, что использование водоотводящих фильтров значительно снижает деформации грунтового основания [17].

Физико-химические мероприятия, такие как пропитка грунтов раствором гидроксида натрия и засоление, были изучены Самойленко А.Б. и Шестаковым В.Н. Они показали, что такие методы могут значительно уменьшить объемное расширение грунтов при замерзании. Однако эти методы имеют ряд недостатков, таких как увеличение температуропроводности грунтов и их агрессивности к строительным конструкциям [10].

Современные методы мониторинга деформаций зданий на пучинистых грунтах включают использование геодезических приборов, датчиков деформаций и инклинометров. Такие методы позволяют получать точные данные о состоянии грунтов и конструкций в режиме реального времени, что способствует своевременному выявлению и устранению негативных последствий пучения. Например, Скворцов Д.С. и его коллеги успешно применили спутниковую съемку и лазерное сканирование для мониторинга деформаций фундаментов, что подтвердило высокую эффективность этих методов [11].

Исследования Краева А.Н. и Мащенко А.В. в области армирования грунтов геосинтетическими материалами показали, что такие методы могут значительно увеличить несущую способность грунтового основания и снизить деформации морозного пучения. Их работы подчеркнули важность использования геосинтетиков в условиях сезонного промерзания грунтов, что особенно актуально для регионов с холодным климатом [3].

Методика проведения исследований

Пучение грунтов — это процесс увеличения объема грунта при замерзании содержащейся в нем воды. Этот феномен наблюдается в грунтах, богатых мелкодисперсными частицами, такими как глина и суглинок. Пучинистые грунты характеризуются высокой влагоемкостью и способностью к значительному объемному расширению при переходе воды в лед. К основным свойствам таких грунтов относятся водопроницаемость, пластичность и текучесть, которые определяют их поведение при температурных изменениях.

Механизм пучения грунта связан с физико-химическими процессами, происходящими при замерзании воды в порах грунта. Капиллярные силы способствуют подъему влаги к зоне промерзания, где она превращается в лед, вызывая увеличение объема грунта. Капиллярный подъем воды и образование ледяных линз являются основными причинами пучения. При замерзании вода расширяется примерно на 9%, что приводит к значительным усилиям, направленным вверх, и вызывает деформации грунтового основания.

Климатические условия существенно влияют на интенсивность и глубину пучения грунтов. В регионах с суровым климатом и значительной глубиной сезонного промерзания грунтов вероятность пучения возрастает. Температурные колебания, частота и продолжительность морозных периодов, а также количество осадков оказывают непосредственное влияние на процессы пучения. В условиях постоянного промерзания и оттаивания грунтов создаются циклы замораживания и оттаивания, что приводит к накоплению деформаций и постепенному разрушению строительных конструкций [14].

Пучение грунта оказывает значительное воздействие на строительные конструкции, вызывая различные типы деформаций фундаментов и надземных частей зданий. Деформации, вызванные морозным пучением, могут быть вертикальными, горизонтальными и комбинированными.

Пучение грунтов вызывает различные типы деформаций, которые могут иметь серьезные последствия для фундаментов и конструкций. Основные виды деформаций включают вертикальные подъемы, горизонтальные смещения и наклоны фундаментов. Вертикальные подъемы происходят вследствие увеличения объема грунта при его замерзании, что приводит к неравномерному поднятию основания и возможному разрыву конструкций. Горизонтальные смещения вызваны различиями в объемном расширении грунтов, что создает боковое давление на фундаменты. Наклоны фундаментов обусловлены неравномерным подъемом грунта, что приводит к деформации и перекосу зданий. Эти деформации могут существенно повлиять на структурную целостность сооружений, вызывая трещины в стенах, разрывы инженерных коммуникаций и даже частичное обрушение конструкций [1].

Методы мониторинга деформаций

Для эффективного мониторинга деформаций применяются разнообразные методы, каждый из которых имеет свои преимущества и специфические применения.

Геодезические методы содержат нивелирование и тахеометрию. Нивелирование используется для измерения изменений высоты различных точек фундамента, что позволяет выявить вертикальные деформации. Тахеометрия позволяет измерять как горизонтальные, так и вертикальные смещения с высокой точностью. Эти методы обеспечивают детальную и точную информацию о деформациях конструкций и оснований [7].

Инструментальные методы включают использование датчиков деформаций и инклинометров. Датчики деформаций устанавливаются на конструкциях и грунтах для непрерывного мониторинга изменений их состояния. Они позволяют фиксировать даже малейшие изменения в форме и положении конструкций, обеспечивая тем самым своевременное выявление проблемных зон. Инклинометры используются для измерения наклонов и смещений грунтов и фундаментов, что позволяет отслеживать их динамическое поведение и прогнозировать дальнейшее развитие деформаций [17].

Дистанционные методы, такие как спутниковая съемка и лазерное сканирование, предоставляют возможность получать высокоточные данные о деформациях больших территорий. Спутниковая съемка использует GPS-технологии для мониторинга изменений координат точек на поверхности земли, что позволяет отслеживать деформации в широком масштабе. Лазерное сканирование позволяет создавать трехмерные модели деформаций грунтов и конструкций, обеспечивая подробную визуализацию изменений [11].

Современное программное обеспечение для анализа данных, полученных с оборудования, позволяет моделировать деформации, прогнозировать их развитие и принимать решения для предотвращения возможных повреждений. Такие программы обеспечивают обработку больших объемов данных, визуализацию результатов и интеграцию с геоинформационными системами (ГИС). Среди наиболее используемых программ можно выделить AutoCAD Civil 3D, применяемую для проектирования и моделирования; ArcGIS, используемую для анализа и визуализации пространственных данных; Surfer, предназначенную для интерполяции данных и создания карт; и PLAXIS, применяемую для моделирования геотехнических задач.

Подготовка площадки для мониторинга деформаций включает в себя предварительное обследование территории, анализ геологических и гидрологических условий, а также оценку потенциальных рисков. На основе полученных данных разрабатывается план размещения оборудования. Установка включает в себя монтаж геодезических приборов, датчиков деформаций и инклинометров в определенных точках, обеспечивающих максимальную точность измерений. Особое внимание уделяется защите оборудования от погодных условий и внешних воздействий, что позволяет обеспечить непрерывность и надежность наблюдений.

Определение точек измерений проводится на основе анализа структурных особенностей здания и характеристик грунтового основания. Точки должны располагаться в местах максимальной вероятности деформаций, таких как углы фундаментов и участки с разными типами грунтов. Частота наблюдений зависит от динамики изменений и особенностей климатических условий. В начале строительства и при существенных сезонных изменениях рекомендуется проводить измерения чаще, с постепенным увеличением интервалов в стабильные периоды.

Организация сбора данных включает в себя автоматическую регистрацию показаний с геодезических приборов и датчиков, передачу информации на центральный сервер и последующую обработку. Данные должны храниться в структурированном виде с возможностью быстрого доступа для анализа. Важно обеспечить резервное копирование информации для предотвращения ее потери. Использование специализированного программного обеспечения позволяет систематизировать данные, проводить их анализ и визуализацию в режиме реального времени, что значительно повышает эффективность мониторинга.

Обработка данных, полученных в процессе мониторинга, включает в себя статистический анализ, фильтрацию шумов и аномальных значений, а также интерполяцию для выявления тенденций и закономерностей. Применение методов регрессионного анализа и временных рядов позволяет моделировать деформационные процессы и выявлять ключевые факторы, влияющие на их динамику [5].

Моделирование деформаций проводится с использованием специализированного программного обеспечения, такого как PLAXIS и GeoStudio, которое позволяет учитывать геотехнические параметры грунтов, климатические условия и конструктивные особенности зданий. Прогнозирование включает в себя разработку сценариев развития деформаций на основе текущих данных и моделирования, что позволяет оценить потенциальные риски и разработать меры по их предотвращению.

Для предотвращения деформаций, вызванных пучением грунтов, необходимо применять комплексные инженерные решения, направленные на минимизацию воздействия морозного пучения на строительные конструкции. Эти меры включают в себя использование различных методов, таких как тепловая мелиорация, гидромелиорация, физико-химические мероприятия, строительно-конструктивные решения и армирование геосинтетическими материалами. Ниже представлены подробные описания каждого из методов, основанные на анализе современных научных исследований и практического опыта [4].

Тепловая мелиорация — это мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем регулирования температурного режима грунтового основания. Одним из таких методов является местная теплоизоляция грунтов оснований фундаментов. В качестве теплоизоляционных материалов используются:

• пенопласт (λ = 0,037–0,049 Вт/м·С);
• экструдированный пенополистирол (λ = 0,029–0,030 Вт/м·С);
• стеклянная и каменная вата (λ = 0,030–0,053 Вт/м·С);
• пенополиуретан (λ = 0,020–0,041 Вт/м·С);
• пеноизол (λ = 0,047 Вт/м·С);
• керамзит (λ = 0,070–0,016 Вт/м·С);
• перлитовый песок (λ = 0,040–0,060 Вт/м·С);
• пеностекло (λ = 0,040–0,080 Вт/м·С);
• крупнозернистый керамзитобетон и пенобетон (λ = 0,011–0,029 Вт/м·С).

Эффективность данного метода заключается в уменьшении глубины промерзания грунтового основания и, как следствие, снижении объемной льдистости грунта. Исследования в этом направлении отражены в работах А.В. Мельникова [6], А.А. Дорофеева [2], И.В. Шестакова [5], С.В. Четкаревой [16], Е.Е. Нуховой [7]. Допустимость применения теплоизоляции малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах описана в СТО 36554501-012-2008 НИИОСП, где в качестве утеплителя рассматриваются плиты из экструзионного полистирола (рис. 1).

Рисунок 1. Схема установки теплоизоляции в фундаментах отапливаемых зданий без теплоизоляции пола согласно СТО 36554501-012-2008.

На рис. 1 представлены элементы: фундамент (1), стена здания (2), пол здания (3), горизонтальная теплоизоляция (4), вертикальная теплоизоляция (5), защитное покрытие (6), песчаная подготовка под отмостку (7), асфальтовая или бетонная отмостка (8), непучинистый грунт (9), дренаж (10), и габаритные размеры теплоизоляционной юбки (Lc, Dh, δh). Преимуществом данного метода является уменьшение глубины заложения фундаментов, что снижает затраты и трудозатраты на нулевой цикл строительства за счет уменьшения объема земляных работ. Дополнительно применяются калориферные установки, системы электропрогрева и инженерные сети, выделяющие тепло и препятствующие промерзанию грунтов, однако это может значительно увеличить затраты на строительство и эксплуатацию.

Гидромелиорация включает мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем снижения влажности промерзающего основания фундамента. Эффективность метода заключается в уменьшении льдистости промерзшего грунта, что приводит к снижению морозного пучения [2].

Наиболее распространенным мероприятием является установка дренажных систем для отвода поверхностных и подземных вод. А.И. Ярмолинский предложил использовать водоотводящий фильтр типа «мягкой дрены» из нетканого иглопробивного геотекстильного материала, сложенного определенным образом и установленного в грунтовом основании. Этот метод показал высокую эффективность, однако работы по его выполнению достаточно трудоемки и дорогостоящи, что ограничивает его широкое применение в строительстве. Применение дренажей при проектировании зданий и сооружений детально отражено и обосновано расчетами в РМД 50-06-2009 (рис. 2).

Рисунок 2. Схема устройства дренажной системы с использованием изоляционного геокомпозита согласно РМД 50-06-2009.

На рис. 1 показаны элементы: фундамент, стена здания, пол подвала, чистый пол первого этажа, геокомпозит, обратная засыпка, проектная поверхность, существующая поверхность, песок с коэффициентом фильтрации не менее 5 м/с, дренажная труба и щебень марки М1000-1200 фракции 3–10 мм.

Физико-химические мероприятия направлены на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем изменения физико-химического состава грунтов. Основными методами являются пропитка грунтов раствором гидроксида натрия с добавкой негашеной извести, засоление грунтов и гидрофобизация грунтов вяжущими материалами при определенных гидротермических условиях.

Исследования А.Б. Самойленко и В.Н. Шестакова показали, что пропитка грунта раствором гидроксида натрия с добавкой негашеной извести позволяет снизить относительную деформацию морозного пучения грунта до трех раз. Эффективность засоления грунтов заключается в снижении температуры замерзания грунтовой влаги, что уменьшает объемную льдистость грунтов и, как следствие, их пучение [10].

Эффективность гидрофобизации, придания грунту водоотталкивающих свойств, была изучена И.Н. Хаббибулиной и М.Е. Бешеновым. В качестве вяжущего материала обычно используют смолы, нефтяные битумы, древесные, торфяные и жидкие каменноугольные дегти. Эти методы имеют ряд серьёзных недостатков, включая увеличение температуропроводности грунта, повышение агрессивности pH среды для конструкций, непродолжительное действие (до 5–7 лет), возможность увеличения пучинистости грунта после его опреснения, высокая токсичность и огнеопасность, а также сложность и необходимость переработки и утилизации грунта после прекращения действия добавок [15].

Перечисленные недостатки ограничивают использование данных мероприятий для улучшения свойств оснований фундаментов зданий и сооружений капитального строительства. Однако они могут применяться для улучшения свойств оснований фундаментов вспомогательных временных хозяйственно-бытовых сооружений на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.

Строительно-конструктивные мероприятия направлены на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем изменения работы системы «основание-фундамент-сооружение». Существенное количество таких мер было предложено еще в XX веке и зафиксировано в руководстве по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах, разработанном НИИОСП им. Герсеванова в 1979 году. К числу таких решений относятся анкеровка фундаментов и сооружений, создание жестких подвижных оболочек вокруг фундаментов, уменьшение площади поперечного сечения и увеличение нагрузки на фундаменты, наклонные боковые грани фундаментов, а также обмазки и пленки по боковым поверхностям фундаментов [9].

Эти методы показали высокую эффективность, однако не смогли стать универсальными и решить проблему строительства на пучинистых грунтах повсеместно, что потребовало разработки новых подходов (рис. 3).

Рисунок 3. Строительно-конструктивные мероприятия: а) сваи с покрытием кремнийорганической эмалью; б) фундаменты с обратным уклоном и анкеровкой; в) анкерные сваи по технологии индивидуального строительства и экологии (ТИСЭ).

На рис.3 изображены: фундамент, стена здания, пол подвала, чистый пол первого этажа, геокомпозит, обратная засыпка, проектная поверхность, существующая поверхность, песок с коэффициентом фильтрации не менее 5 м/с, дренажная труба и щебень марки М1000-1200 фракции 3–10 мм.

Несмотря на широкое применение этих методов, они требуют дальнейшей доработки и адаптации к современным условиям и требованиям строительства, что позволит обеспечить их эффективное использование в различных геологических и климатических условиях.

Замена пучинистого грунта на непучинистый является одним из эффективных методов снижения деформаций морозного пучения грунтового основания, позволяя держать их в допустимых значениях или полностью исключить при замене грунта на всю толщину промерзающего слоя. Для замены используются песчаные грунты крупной и средней крупности, щебень, гравий, шлак, асбестовый балласт и пеностекольный щебень. Недостатком данного способа является значительный объем земляных работ на нулевом этапе строительства.

Исследования, проведенные Н.М. Красиниковой, О.В. Хохряковым и В.Г. Хозиным, показали, что применение цемента низкой водопотребности (ЦНВ) в количестве 16% от массы грунта при содержании ЦНВ-30 4,8% позволяет снизить деформации морозного пучения с чрезмернопучинистого до непучинистого состояния. Недостатком данного метода является значительное увеличение стоимости работ из-за необходимости проведения цементации грунтов под давлением, что требует использования специализированной техники для нагнетания раствора высокого давления [8].

О.В. Третьякова и Б.С. Юшков разработали метод использования свай с обратным уклоном и переменным сечением для восприятия сил морозного пучения и снижения деформаций за счет статического потенциала сваи. В пределах наклонной поверхности возникает вертикальная составляющая сил морозного пучения, направленная вниз от дневной поверхности, что частично компенсирует касательные силы. Применения анкерных свай переменного сечения в конструкции подпорной стены представлена на рис. 4. [14].

Рисунок 4. Анкерные сваи переменного сечения в конструкции подпорной стены.

Исследования В.И. Аксенова с соавторами подтвердили эффективность и возможность применения винтовых свай в мерзлых грунтах. И.В. Носков и А.В. Свиредских, проведя ряд лабораторных и полевых экспериментов, установили, что использование винтовых конусно-спиральных свай (ВКС) с небольшой площадью соприкосновения с грунтом предотвращает их перемещение даже при глубоком промерзании. Причиной значительного уменьшения деформаций морозного пучения авторы считают уплотнение грунта в межветвевых промежутках и вытеснение грунтовой воды (рис. 5).

Рисунок 5. Винтовые конусно-спиральные сваи (ВКС).

Одним из новейших направлений в данной группе мероприятий является армирование оснований фундаментов геосинтетическими материалами. На текущий момент исследования работы этих материалов в мерзлых грунтах достаточно ограничены, что требует дальнейших научных изысканий и практических испытаний для оценки их эффективности и возможности широкого применения [9].

Армирование геосинтетическими материалами включает мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем размещения в грунтовом основании армирующих элементов, обладающих высокой прочностью на растяжение. Эти мероприятия являются одним из эффективных методов улучшения свойств грунтов и относятся к строительно-конструктивной группе.

В настоящее время геосинтетики представляют собой быстроразвивающееся семейство материалов. Основные виды включают геотекстиль, георешетки, геомембраны и геокомпозиты. Эти материалы используются для укрепления грунтов и предотвращения деформаций, вызванных морозным пучением (рис. 6).

Рисунок 6. Современные геосинтетические материалы: а) геотекстиль; б) тканый геотекстиль; в) георешетка; г) геокомпозит; д) геомембрана.

Армирование геосинтетическими материалами направлено на предотвращение или уменьшение деформаций морозного пучения путем устройства в грунтовом основании армирующих элементов с высокой прочностью на растяжение. Эти мероприятия относятся к строительно-конструктивной группе и являются эффективным методом улучшения свойств грунтов [13].

Исследования по применению геосинтетиков в талых грунтах достаточно обширны. Среди авторов, изучавших этот вопрос, можно выделить И.Т. Мирсаяпова и Р.А. Шарафутдинова, Д.А. Татьянникова и А.Б. Пономарева, Б.С. Юшкова и О.А. Санникову, Ан.Н. Краева, Ю.А. Новикова, А.С. Гришину, А.В. Мащенко, А.Б. Пономарева, А.С. Кузнецову и В.Г. Офрихтера. Их исследования показали, что применение армирующих материалов может значительно увеличить несущую способность грунтового основания, в зависимости от расположения и количества армирующих элементов.

Однако, вопросам применения геосинтетиков в мерзлых грунтах посвящено меньше исследований. А.В. Мащенко и А.Б. Пономарев установили, что фиброармирование глинистых грунтов недопустимо из-за значительного увеличения деформаций морозного пучения. И.А. Чернышева и А.В. Мащенко определили, что армирование пучинистых грунтов тканным геотекстилем и геокомпозитом снижает деформации морозного пучения до 25%. С.И. Сушков и А.С. Сергеева выявили, что использование геосинтетической решетки и геотекстиля в конструкции дорожной одежды уменьшает накопление влаги и водонасыщение глинистого грунта на стыке с песком, что ведет к снижению морозного пучения грунтов.

Результаты исследований

Авторами было предложено и проведено экспериментальное исследование в лабораторных условиях песчаной подушки, армированной по контуру, в сезоннопромерзающих глинистых грунтах. Результаты экспериментов показали, что контурное армирование позволяет снизить деформации морозного пучения на 10%, предотвращает смерзание глинистого грунта с песком, уменьшает усадку грунтового основания в начальный период промерзания на 24% и просадку грунта после оттаивания на 29% по сравнению с неармированной песчаной подушкой. Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 7.

Рисунок 7. Общий вид экспериментальной установки, размещенной в морозильной камере.

Исследования конструкций из армированного грунта, проведенные вышеупомянутыми авторами, продемонстрировали ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами и материалами. Использование местного грунта в качестве основного строительного материала значительно снижает затраты на транспортировку и закупку материалов. Конструкции могут быть возведены в любых климатических и геологических условиях, что делает их универсальными. Они также отличаются невысокой стоимостью, быстротой и простотой возведения, что уменьшает затраты на выполнение нулевого цикла строительства. Например, армирование грунтов позволяет стабилизировать основания зданий в условиях сильного морозного пучения, что повышает их долговечность и надежность. Кроме того, использование геосинтетиков улучшает дренажные свойства грунта, что предотвращает накопление влаги и уменьшает риск деформаций. Таким образом, эти технологии не только экономичны, но и повышают устойчивость строительных конструкций.

Обсуждение результатов

Исследование гипотезы о влиянии различных методов на снижение деформаций морозного пучения показало, что на сегодняшний день не существует универсального подхода для предотвращения этого явления. Гидромелиорация и цементация грунтов доказали свою высокую эффективность, практически исключая пучение, однако их высокая стоимость ограничивает широкое применение.

Физико-химические методы, такие как пропитка грунтов и гидрофобизация, сложны в производстве и имеют множество недостатков, включая увеличение температуропроводности и агрессивности среды, ограниченную продолжительность действия и высокую токсичность. Эти методы могут быть применимы для временных сооружений, но их недостатки делают их менее подходящими для капитального строительства.

Тепловая мелиорация и строительно-конструктивные мероприятия получили наибольшее распространение благодаря своей относительной простоте и эффективности. Эти методы включают использование теплоизоляционных материалов и конструктивные изменения, такие как анкеровка и устройство подвижных оболочек.

Использование геосинтетических материалов для армирования грунтов показало перспективные результаты. Исследования показали, что геосинтетики могут значительно улучшить несущую способность грунтового основания и снизить деформации морозного пучения. Однако это направление требует дальнейших исследований, особенно в условиях мерзлых грунтов, чтобы оценить их полную применимость и эффективность.

Выводы

1. На текущий момент не существует универсальных мероприятий, направленных на предотвращение или снижение влияния от сил морозного пучения на конструкции фундаментов зданий и сооружений.
2. Гидромелиорация и цементация грунтов являются эффективными способами, позволяющими практически полностью исключить морозное пучение грунтов, однако они достаточно дорогостоящи и не получили широкого применения.
3. Физико-химические мероприятия сложны в производстве и имеют множество недостатков при устройстве оснований фундаментов капитальных сооружений, однако могут быть применимы для временных хозяйственно-бытовых сооружений.
4. Тепловая мелиорация и строительно-конструктивные мероприятия получили наибольшее распространение благодаря своей эффективности и относительной простоте.
5. Использование геосинтетических армирующих материалов для улучшения свойств сезоннопромерзающих грунтов является перспективным направлением, требующим дальнейшего изучения.

Список литературы

1. Гришина, А.С., Пономарев, А.Б. Исследование работы геосинтетических материалов в мерзлых грунтах // Строительство и реконструкция. – 2018. – №3. – С. 88-92.
2. Дорофеев, А.А., Крутиков, В.А. Влияние использования теплоизоляционных материалов на пучинистые свойства грунтов основания дорог // Техническое регулирование в транспортном строительстве. – 2016. – №2(16). – С. 51-56.
3. Краев, Ан.Н. Новые методы армирования грунтов // Инженерные технологии. – 2019. – №5. – С. 27-33.
4. Кузнецова, А.С., Офрихтер, В.Г. Исследование деформаций армированных грунтов при промерзании // Вестник строительной науки. – 2015. – №3. – С. 56-62.
5. Мащенко, А.В., Пономарев, А.Б. Недопустимость фиброармирования глинистых грунтов в условиях морозного пучения // Журнал геотехнических исследований. – 2020. – №4. – С. 15-20.
6. Мельников, А.В. Влияние теплоизоляции фундаментов на изменение температурного режима сезоннопромерзающего основания в районе глубокого сезонного промерзания // Вестник гражданских инженеров. – 2012. – №6(35). – С. 77-83.
7. Мирсаяпов, И.Т., Шарафутдинов, Р.А. Применение геосинтетиков в талых грунтах // Вестник Казанского технологического университета. – 2017. – №1. – С. 54-59.
8. Новиков, Ю.А. Применение геокомпозитов для укрепления грунтовых оснований // Технологии строительства. – 2018. – №2. – С. 67-73.
9. Носков, И.В., Свиредских, А.В. Применение винтовых конусно-спиральных свай в мерзлых грунтах // Журнал строительных наук. – 2015. – №5. – С. 70-76.
10. Самойленко, А.Б., Шестаков, В.Н. Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: строительство и архитектура. – 2010. – №33(209). – С. 29-31.
11. Скворцов, Д.С., Краев, А.Н., Жайсамбаев, Е.А. Способы борьбы с морозным пучением сезоннопромерзающих грунтов в основаниях фундаментов зданий и сооружений // Вестник Евразийской науки. – 2019. – №5. – С. 23-29.
12. Сушков, С.И., Сергеева, А.С. Влияние геосинтетической решетки на водонасыщение глинистых грунтов // Транспортное строительство. – 2019. – №6. – С. 90-95.
13. Татьянников, Д.А., Пономарев, А.Б. Исследование свойств армированных грунтов // Журнал прикладных наук. – 2016. – №4. – С. 102-108.
14. Третьякова, О.В., Юшков, Б.С. Использование свай фундаментов с обратным уклоном для снижения деформаций морозного пучения // Инженерно-строительный журнал. – 2018. – №4. – С. 60-66.
15. Хаббибулина, И.Н., Бешенов, М.Е. Гидрофобизация грунтов вяжущими материалами: свойства и применение // Журнал инженерных исследований. – 2017. – №2. – С. 45-50.
16. Чернышева, И.А., Мащенко, А.В. Армирование пучинистых грунтов тканным геотекстилем // Геотехника. – 2016. – №7. – С. 33-37.
17. Ярмолинский, А.И., Лопашук, В.В. Устройство дренажных систем для уменьшения льдистости грунтов // Вестник транспортного строительства. – 2013. – №3. – С. 34-38.