Влияние температурного фактора в просадочных грунтах на возникновение аварийных явлений

Введение. Практика городского строительства и эксплуатации подземных сетей в условиях интенсификации застройки городов и одновременного старения подземных коммуникаций в последние годы внесла существенные коррективы в выбор системы протипросадочных мероприятий в связи с проявлением нового - гидротермального фактора влияния, который даже в условно не просадочных лессовых массивах провоцирует опасные деформационные процессы.

В связи с этим развитие научных принципов деформирования просадочных лессовых массивов под действием температурного фактора является актуальной научно-технической проблемой.

Современное состояние вопроса . В связи с распространенностью лессовых грунтов на территории Украины, их изучению отводилось большое внимание. Выдающимися учеными Института геологических наук НАН Украины Бабинцем А.Е., Краевым В.Ф., Демчишиным М.Г., были проведены изучения инженерно-геологических свойств лессовых грунтов, с целью применения их как оснований для промышленного и гражданского строительства, гидротехнических, подземных сооружений, с целью сельскохозяйственного освоения и как полезное ископаемое.

В строительстве, до недавнего времени, процесс замачивания лессовых грунтов рассматривался без учета температуры воды. За последнее десятилетие в литературе начали отмечаться случаи повышения ожидаемой просадки вследствие влияния температурного фактора. Так научные работники из Алтайского государственного технического университета в своих роботах отмечают увеличение в г. Барнауле случаев деформаций оснований зданий, 30-ти летнего возраста, которые, как раньше считалось, за долгие годы эксплуатации стоят уже на непросадочных лессовых грунтах. Однако вследствие аварий теплосетей сооружения получили просадку до 0,5 м [1].

Целью работы является установление закономерностей увеличения посадочных процессов в лессовых грунтах в условиях гидротермальных воздействий.

Изложение основного материала. Основные источники тепловыделения, которые содействуют развитию деформационного процесса можно условно разделить на 2 типа: замачивание просадочного грунта утечками воды с повышенной температурой (теплотрассы - диаметр труб 500-1000 мм и больше) и нагревание грунтовых вод из-за процесса теплопередачи от тепловыделяющих объектов с дальнейшим воздействием нагретой грунтовой воды на лессовый массив.

Образование тепловых полей в лессовых массивах относится к опасным геологическим процессам на территории больших городов, которые вызывают изменения состава, состояния, структуры и свойства просадочных грунтов.

Самым важным параметром для определения теплового воздействия на грунты является тепловой режим теплотрасс и их характеристики. Тепловой поток, который выделяется теплотрассой, зависит от диаметра и количества труб, разностью между температурой воды в трубах и грунтах, качественной теплоизоляцией, времени года, способа прокладывания теплотрассы.

Предварительная оценка деформационных явлений в основаниях фундаментов на лессовых просадочных грунтах выполнена при обследовании сооружений правобережной части города Киева в 2000-2002 гг. специалистами кафедры геостроительства и горных технологий по заказу руководства НТУУ “КПИ”. Этот заказ был связан с опасными деформациями в конструкциях некоторых корпусов университета, связанных с замачиванием грунтов утечками из водоснабжающих сетей.

Данные материалы основываются на конкретных и численных полевых исследованиях, обеспечивают достоверные конечные результаты и содержат одновременно рекомендации по исправлению созданной ситуации. В анализе факторов, которые повлияли на аварийные проявления в сооружениях, обращено особое внимание на наличие и даже скопление в основаниях фундаментов тепловых сетей и канализации. Происходит превышение среднего давления под подошвой фундамента над величиной расчетного сопротивления грунтов. Аналогичные результаты получены для сооружения Малого зала Национальной филармонии г. Киева.

Рис. 1. Аварийное здание по ул. Рейтарской.

За последние время распространились случаи аварийной просадки старых сооружений, как здание №  37-Б по ул. Рейтарская в

Шевченковском районе г. Киева (рис. 1). Объект исследования расположен в пределах лессового плато. Грунтовые воды в процессе взысканий не найдены. Участок взысканий относится к II типу грунтовых условий по просадке (суммарная просадка грунта от собственного веса при полном водонасыщении равняется 13,26 см). Толщина просадочной области достигает 13,10 см. Основание составляет супесок лессовый пылеватый, твердый, просадочный.

В техническом выводе о состоянии здания № 37-Б по ул. Рейтарской в Шевченковском районе г. Киева было указано, что деформации здания вызвана неравномерной просадкой лессовых грунтов основания вследствие замачивания аварийными утечками из теплотрасс.

Основными причинами увеличения просадки лессового грунта при замачивании его водой с повышенной температурой являются ускорение растворимости солей и цементирующих веществ, которые являются составляющими лессового грунта и расширение фронта замачивания за счет увеличения коэффициента влагопроводности и проникновении воды в те слои грунта, которые не были уплотнены.

Для подтверждения этих утверждений были проведены экспериментальные исследования по растворимости ангидрита, одного из основных составляющих лессовых грунтов, водными кислотными и солевыми растворами при разных температурах. В результате исследования установлено, что увеличение температуры от 20 до 50 ºС приводило к ускорению растворимости ангидрита в 3 раза.

При замачивании лессового массива при аварийных утечках горячей воды в случае неполного водонасыщения, следует говорить об изменении влагопроводности массива [2]. Исследование влияния температуры воды для замачивания на изменение коэффициента влагопроводности лессовых 42

грунтов проводилось на образцах лессового просадочного грунта II типа. В табл. 1 приведен усредненный коэффициент влагопроводности и показатель изменения влагопроводности в зависимости от температуры воды для замачивания θT в пределах 20–80 °С, который определяется по Tcp формуле: а = —w—.

T      20 0 Ccp kw

Таблица 1.

Зависимость коэффициента влагопроводности от температуры воды для замачивания

№ образцов	Коэффициент влагопроводности k T , м/сутки
	T = 20 ° C	T = 40 ° C	T = 60 ° C	T = 80 ° C
1	1,86	2,85	3,22	3,86
2	1,94	2,76	3,56	3,78
3	2,06	2,90	3,86	3,76
4	2,03	2,92	3,68	3,62
5	1,98	2,95	3,32	3,84
Среднее значение коэффициента влагопроводности, м/сутки
k w Tcp , м/сутки	1,97	2,88	3,53	3,77
Показатель влияния температуры воды на коэффициент влагопроводности
A T	1,0	1,46	1,79	1,91

Как видно из полученных данных, температура существенно влияет на влагопроводность просадочного грунта, при этом зависимость k_w ^Tcp выравнивается практически при T = 80º С, достигая значения близко 3,77 м/сутки, которое больше чем втрое превышает величину k_w ^Tcp для нормальных условий:

k T = k 20° C -A = k 20° C - ( - 0,000001667 T ³ + 0,000037 T ² + 0,0254 T + 0,49) .

Увеличение коэффициента влагопроводности приводит к расширению фронта замачивания и проникновению воды в те слои грунта, которые не были уплотнены. Наиболее влиятельным в этом случае является процесс воздействия температуры воды при инфильтрации на увеличение глубины замачивания. Результаты экспериментальных опытов представлены в табл.2. В знаменателе табл. 2 приведено отношение значения координаты фронта замачивания при повышенной температуре воды к значению координаты фронта замачивания при холодной воде, или коэффициент влияния температуры воды, который определяется по T формуле: e = y0 . Согласно табл. 2 вертикальная координата фронта

^T      20 ⁰

y ₀

замачивания углубляется как со временем, так и с ростом температуры воды для замачивания.

Таблица 2.

Развитие глубины замачивания в массиве лессового грунта

5      M  ь—t л о S 5 о ш У к § cs §	Вертикальная координата фронта замачивания / коэффициент влияния температуры воды βT
	Продолжительность замачивания t, суток
	t=1	t=2	t=5	t=9	t=14	t=22
Т=20º С	2,02/1,0	3,14/1,0	5,86/1,0	8,99/1,0	12,57/1,0	17,93/1,0
Т=40º С	2,73/1,35	4,24/1,35	7,92/1,3 4	12,13/1,3 5	16,97/1,35	24,21/1,35
Т=60º С	3,13/1,55	4,78/1,54	9,09/1,5 5	13,93/1,5 5	19,48/1,55	27,79/1,55
Т=80º С	3,53/1,75	5,49/1,75	10,26/1, 75	15,73/1,7 5	22,0/1,75	31,38/1,75

Коэффициент влияния температуры воды βT не зависит от времени замачивания и возрастает в 1,75 раза лишь с увеличением температуры от 20º до 80º С.

В результате выражение для глубины замачивания в зависимости от температуры воды имеет вид:

y T = y_o ^{20 0} C . в = y ₀ ²⁰⁰ C (0,000003125 T ³ - 0,000563 T ² + 0,0425 T + 0,35).

Согласно приведенным исследованиям можно сделать вывод , что неучет влияния повышенной температуры грунтовой влаги на структурные связи в лессовых грунтах любой степени просадочности приводит к значительным ошибкам в определении несущей способности массива.

В условиях влияния гидротермального фактора, известные инженерные способы стабилизации лессовых грунтов оказываются недостаточно эффективными и нуждаются в их дальнейшем развитии. Основными причинами увеличения проявлений просадки лессового грунта при замачивании его водой с повышенной температурой является ускорение растворимости солей и цементирующих веществ в составе лессовых грунтов, углубление замачивания и проникновение воды в те слои грунта, которые не были уплотнены. При анализе техногенного влияния теплового фактора на просадочные лессовые грунты необходимо учитывать коэффициент увеличения влагопроводности θ T и коэффициент влияния температуры воды β T на изменение глубины проникновения воды, путем объединения экспериментальных результатов с математическим моделированием инфильтрационных и деформационных процессов в просадочных массивах.