Натурные испытания выявили особенности горизонтального морозного пучения грунтов в глубоких котлованах

Исследователи Пекинского транспортного университета изучили совместное влияние температуры, миграции влаги и механических напряжений на горизонтальное морозное пучение грунтов в строительных котлованах. Натурные испытания и численное моделирование показали, что механизмы деформирования ограждающих конструкций при горизонтальном промерзании существенно отличаются от процессов, возникающих при вертикальном промерзании грунта, передает ScienceDirect.

Экспериментальную площадку оборудовали в районе Чанпин в Пекине. Исследователи разработали опытный котлован и организовали наблюдения за температурой грунта, миграцией влаги, развитием морозного пучения и усилиями, передаваемыми на ограждающие конструкции.

Характерная глубина сезонного промерзания грунтов в районе проведения испытаний составляет от 0,8 до 1,35 м.

При зимовке открытого котлована промерзание развивается не только вертикально от дневной поверхности, но и горизонтально от открытых стенок выемки. В последнем случае температурный градиент направлен в сторону ограждения, а вода может перемещаться к фронту промерзания из удалённых участков грунтового массива.

Накопление влаги и образование ледяных включений вызывают увеличение объёма грунта и рост горизонтального давления на ограждение котлована. В отличие от вертикального промерзания, пространственное распределение этих усилий зависит от направления движения влаги относительно силы тяжести.

В эксперименте сравнивались участки ограждения с различной жёсткостью и условиями водопритока. На отдельных участках расстояние между ограждающими сваями составляло 800 и 1000 мм. Это позволило оценить влияние деформативности конструкции на величину горизонтального морозного пучения.

Для интерпретации натурных измерений исследователи разработали связанную гидротермомеханическую модель в программной среде COMSOL Multiphysics.

Моделирование позволило выделить три фактора, наиболее существенно влияющих на горизонтальные силы морозного пучения: температуру окружающей среды, влажность грунта и модуль упругости ограждающих свай.

На основании экспериментальных и расчётных результатов предложена зависимость для прогнозирования максимального горизонтального давления морозного пучения на боковую поверхность котлована.

Авторы отмечают, что применение расчётных подходов, разработанных для вертикального промерзания, без учёта горизонтальной миграции влаги может приводить к ошибкам при оценке нагрузок на временные ограждающие конструкции.

Результаты имеют практическое значение для зимующих котлованов в районах сезонного промерзания грунтов, особенно при наличии высокого уровня грунтовых вод и ограниченной жёсткости ограждения.