Повышение долговечности зданий на многолетнемерзлых основаниях в условиях г. Салехарда

Актуальность. Известные данные о нарушениях эксплуатационных технических характеристик зданий в городах российского Севера и, в частности, в г. Салехарде связаны с проявлением мерзлотно-грунтовых явлений и процессов морозного разрушения элементов конструкций сооружений. Эти нарушения обусловлены следующим: во-первых, проявлением неравномерных просадок неравномерно оттаивающих оснований, во-вторых, деформациями связанными с промораживанием контактирующих со зданиями грунтовых массивов, в-третьих, накоплением повреждений в материалах элементов конструкций сооружений за счет циклических фазовых переходов поровой влаги. Имеющиеся в настоящее время методы прогноза механического поведения системы сооружение-среда в недостаточной мере отражают реальные условия и физические особенности эксплуатации сооружений. В связи с такими обстоятельствами, имеет место необходимость разработки более адекватных реальным натурным условиям методов количественного прогноза упомянутых нарушений, а также инженерных решений для предотвращения их проявлений и ликвидации их последствий.

Более того, повышение точности методов количественного прогноза становится необходимым в связи с наблюдаемой в настоящее время тенденцией к потеплению климата, ставящей перед строителями ряд задач, связанных с прогнозом влияния такого явления на уже возведенные и планируемые к постройке сооружения, что особо актуально для г. Салехарда, расположенного в зоне несплошного распространения мёрзлых пород. Поскольку потепление климата выразится в увеличении среднегодовых температур грунтов основания, то соответствующим образом изменятся в сторону уменьшения прочности их физико-механические характеристики. Это в свою очередь ухудшит несущую способность основания и вызовет необходимость принятия компенсационных мер, вид и объём которых и срочность их применения определяются точностью используемых методов количественного прогноза.

Кроме того, многочисленные примеры морозной деструкции сооружений из кирпича и бетонных конструкций, построенных в суровых климатических условиях, свидетельствуют о том, что морозостойкость этих конструкций не соответствует условиям их эксплуатации, поэтому они интенсивно разрушаются и требуют больших затрат на ремонт и восстановление. Поэтому не случайно в последние годы наблюдается увеличение темпов роста затрат на капитальный ремонт железобетонных и бетонных конструкций и кирпичных строений по сравнению с затратами на их изготовление, а также по отношению к единице стоимости основных фондов зданий и сооружений.

Таким образом, для обеспечения решения проблемы повышения надёжности сооружений актуальным является следующее.

Во-первых, обоснование для условий г. Салехарда применимости уточнённых методов прогноза температурного режима грунтов под зданиями и сооружениями с использованием полного теплового баланса при хладозарядке и способов повышения эффективности мероприятий по хладозарядке грунтовых оснований до уровня обеспечения требуемой несущей способности оснований и фундаментов.

Во-вторых, обеспечение сооружений и их конструктивных элементов необходимой устойчивостью к морозному воздействию в форме явлений пучения, морозобойного растрескивания грунтов оснований и морозной деструкции пористых, способных к водонасыщению, материалов элементов сооружений.

Цель исследований. В связи с указанными обстоятельствами для повышения надёжности сооружений имеет место необходимость совершенствования существующих и разработки новых методов количественного прогноза нарушений фундаментов и надфундаментных конструкций сооружений процессами замерзания-таяния поровой влаги в грунте оснований и материалах конструкций, а также разработки инженерных решений для предотвращения проявлений нарушений и ликвидации их последствий.

В связи с этим для повышения надёжности сооружений было необходимо решить следующие задачи исследований.

1. На основе анализа эмпирических и литературных данных для условий г. Салехарда обосновать: а) приемлемость методики расчета с более полным учетом теплового баланса зданий с проветриваемыми подпольями с мерзлыми грунтами основанийб) приемлемость применения более эффективных способов хладозарядки мерзлых грунтов основания термосифонами с управлением температурными граничными условиями с помощью простых в исполнении технических средств.

2. Доказать положения о том что: во-первых, соответственно колебаниям температуры наружного воздуха во всём диапазоне её изменения происходят колебания температуры и в теле конструкций, граничащих с внешней средойво-вторых, реально имеющее место число фазовых переходов в теле конструкций значительно больше, чем это предполагают нормативные документы.

3. Рассмотреть возможности разработки новых методических подходов и их реализующих технических решений для защиты фундаментов зданий на мёрзлых грунтах от касательных сил морозного пучения.

4. Рассмотреть возможности совершенствования защиты фундаментов зданий и сооружений от разрушающего воздействия явлением морозобойного растрескивания грунта.

5. Рассмотреть возможности получения новых решений проблемы защиты каменных и армокаменных зданий и сооружений, разнообразных строений из кирпича и бетона от морозной деструкции их конструкций.

6. Обобщить данные о местах проявлениях морозной деструкции в зданиях и сооружениях и разработать каталог типовых расчётных случаев проектирования защиты от морозной деструкции.

7. Рассмотреть возможности применения разработанных методик защиты для региональных условий г. Салехарда и для регионов имеющих суровые зимние условия.

Нами рассмотрены факторы и механизмы формирования указанных выше нарушений сооружений и их элементов и предлагаются, обоснованные на известных и разработанных нами методах количественного прогноза этих нарушений, обобщения накопленных за последнее время технических решений по вопросам управления тепловым и механическим взаимодействием зданий с мерзлыми грунтами и атмосферой и предупреждения нарушений технически несложными приёмами и недорогими в производственном исполнении средствами.

В первой главе рассмотрены факторы формирующие нарушения в сооружениях при тепловом и механическом взаимодействия зданий и сооружений с окружающей средой в криолитозоне и районах характерных суровыми и длительными зимами. Рассмотрены механизмы возникновения этих нарушений и предложены пути решения проблемы защиты сооружений от опасных для сооружений проявлений морозного пучения и морозобойного растескивания грунтов, а также морозной деструкции материалов строительных конструкций контактирующих с наружным воздухом. Объяснены физические причины ускоренного морозного разрушения конструкций из пористых водонасыщающихся при эксплуатации материалов и предложен не учитываемый в нормативной документации подход к оценке их реальной морозоустойчивости. Материалы по главе частично опубликованы в [134−139].

Во второй главе изложены следующие результаты.

1.На основе анализа эмпирических и литературных данных показана приемлемость для условий г. Салехарда использования уточненной методики расчета температурного режима системы здание — основание с более полным учетом теплового баланса зданий с проветриваемыми подпольями с мерзлыми грунтами оснований. Методом вычислительного эксперимента обосновано для условий г. Салехарда применение сочетания способов хладозарядки мерзлых грунтов основания термосифонами с управлением температурными граничными условиями с помощью простых в исполнении технических средств, показавших высокую эффективность.

2. Предложен новый методический подход и реализующее его простое, экологически чистое и экономичное техническое решение для защиты фундаментов зданий на мёрзлых грунтах от касательных сил морозного пучения.

3. Разработан новый принцип защиты фундаментов зданий и сооружений от разрушающего воздействия явлением морозобойного растрескивания грунта, а также предложено техническое решение его реализации, обладающее свойствами простоты воплощения, экологической безопасности и экономичности.

Материалы по главе частично опубликованы в [134,136,138,139].

В третьей главе представлены следующие результаты. 1. Сформулировано и методами вычислительного эксперимента доказано положение о том что: во-первых, соответственно колебаниям температуры наружного воздуха происходят колебания температуры и в теле конструкций, граничащих с внешней средой и зачастую имеющих положительное значение на некоторой части своей массызо вторых, что даже при отрицательной температуре наружного воздуха ее колебания приводят к распространению температурных волн и соответственно к колебаниям в саждом элементарном объёме материала конструкций количества поровой влаги претерпевшей фазовый переход, что не учитывается методами СНиП при расчете рекомендаций применения по их морозостойкости — з-третьих, что реально имеющее место число фазовых переходов в теле конструкции значительно больше, чем это предполагают нормативные документы. I. Также в третьей главе изложены материалы описывающие практическое применение теоретических разработок по изучению морозной деструкции конструкций.

На основе математического моделирования и вычислительного эксперимента разработан новый принцип защиты каменных и армокаменных зданий и сооружений, разнообразных строений из кирпича и бетона от морозной деструкции их конструкций.

Проанализированы данные о местах проявлениях морозной деструкции в зданиях и сооружениях обобщены и на их основе разработан каталог типовых расчётных случаев проектирования защиты от морозной деструкции.

На основе многовариантных расчетов по разработанной методике защиты определены пределы возможных значений её параметров для региональных условий «. Салехарда.

Материалы по главе частично опубликованы в [135,137,138,139].

В Заключении сформулированы основные характеристики представляемой к защите диссертационной работы по пунктам защищаемых положений, научной новизны, достоверности и практической значимости.

I. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ¡-ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЗДАНИЙ.

Основные результаты проведенного методом вычислительного эксперимента исследования хладозарядки грунта под зданием состоят в следующем.

Во-первых, одиночные термосваи не могут повлиять ощутимым образом на хладозарядку.

Во-вторых, одиночная термосвая с теплоизоляцией поверхности грунта позволяет хладозаряжать грунт под площадью теплоизоляции в окрестности термосваи.

В-третьих, эффективность термосвай возрастает при групповом их применении и, тем более, при дополнительном использовании теплоизоляции поверхностей.

В-четвертых, наибольший эффект хладозарядки достигается при использовании термосвай в сочетании с теплоизоляцией действующей летом, а зимой пропускающей холод с поверхности грунта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленные в работе результаты исследований, с одной стороны, носят региональный характер, а с другой — представляют собой предмет внерегионального методического и практического применения. Независимо от приведенных в работе региональных приложений представленные разработки по хладозарядке, защите фундаментов и сооружений от касательных сил морозного пучения и морозобойного растрескивания грунта имеют методическую и практическую значимость для регионов криолитозоны и вне её, где имеют место эти процессы и явления. Также указанными качествами внерегионального значения обладают теоретические и практические результаты по исследованию морозоустойчивости элементов сооружений из пористых способных к водонасыщению материалов. В связи с этими обстоятельствами соответствующим образом формулируются её итоги.

Резюмируя работу в целом отмечаем следующие защищаемые в ней положения.

1. На основе анализа эмпирических и литературных данных для условий г. Салехарда обоснованы: а) приемлемость методики расчета с более полным учетом теплового баланса зданий с проветриваемыми подпольями с мерзлыми грунтами основанийб) приемлемость применения более эффективных способов хладозарядки мерзлых грунтов основания термосифонами с управлением температурными граничными условиями с помощью простых в исполнении технических средств.

2. Сформулировано и методами вычислительного эксперимента доказано положение о том что: во-первых, соответственно колебаниям температуры наружного воздуха происходят колебания температуры и в теле конструкций, граничащих с внешней средой и зачастую имеющих положительное значение на некоторой части своей массыво вторых, что даже при отрицательной температуре наружного воздуха ее колебания приводят к распространению температурных волн и соответственно к колебаниям в каждом элементарном объёме материала конструкций количества поровой влаги претерпевшей фазовый переход, что не учитывается методами СНиП при расчете рекомендаций применения по их морозостойкостив-третьих, что реально имеющее место число фазовых переходов в теле конструкции значительно больше, чем это предполагают нормативные документы.

3. Предложен новый методический подход и реализующее его простое, экологически чистое и экономичное техническое решение для защиты фундаментов зданий на мёрзлых грунтах от касательных сил морозного пучения.

4. Разработан новый принцип защиты фундаментов зданий и сооружений от разрушающего воздействия явлением морозобойного растрескивания грунта, а также предложено техническое решение его реализации, обладающее свойствами простоты воплощения, экологической безопасности и экономичности.

5. На основе математического моделирования и вычислительного эксперимента разработан новый принцип защиты каменных и армокаменных зданий и сооружений, разнообразных строений из кирпича и бетона от морозной деструкции их конструкций.

6. Проанализированы данные о местах проявлениях морозной деструкции в зданиях и сооружениях обобщены и на их основе разработан каталог типовых расчётных случаев проектирования защиты от морозной деструкции.

7. На основе многовариантных расчетов по разработанной методике защиты определены пределы возможных значений её параметров для региональных условий г. Салехарда и показана их применимость для районов характеризуемых не только наличием мёрзлых пород, но и для имеющих суровые зимние условия.

Научная новизна представляемой работы состоит в следующем.

1. Впервые для условий г. Салехарда обосновано и предложено применение сочетания способов хладозарядки мерзлых грунтов основания термосифонами с управлением температурными граничными условиями с помощью простых в исполнении технических средств, показавших высокую эффективность.

2. Впервые сформулировано и методами вычислительного эксперимента доказано положение о том что: во-первых, соответственно колебаниям температуры наружного воздуха происходят колебания температуры и в теле конструкций, граничащих с внешней средой и зачастую имеющих положительное значение на некоторой части своей массыво вторых, что даже при отрицательной температуре наружного воздуха ее колебания приводят к распространению температурных волн и соответственно к колебаниям в каждом элементарном объёме материала конструкций количества поровой влаги претерпевшей фазовый переход, что не учитывается методами СНиП при расчете рекомендаций применения по их морозостойкостив-третьих, что реально имеющее место число фазовых переходов в теле конструкции значительно больше, чем это предполагают нормативные документы.

3. Впервые предложен новый методический подход и реализующее его простое, экологически чистое и экономичное техническое решение для защиты фундаментов зданий на мёрзлых грунтых от касательных сил морозного пучения.

4. Разработан новый принцип защиты фундаментов зданий и сооружений от разрушающего воздействия явлением морозобойного растрескивания грунта, а также предложено техническое решение его реализации, обладающее свойствами простоты воплощения, экологической безопасности и экономичности.

5. Впервые разработан новый принцип защиты каменных и армокаменных зданий и сооружений, разнообразных строений из кирпича и бетона от морозной деструкции их конструкций.

6. Впервые разработан каталог типовых расчётных случаев проектирования защиты от морозной деструкции.

7. Впервые по разработанной методике защиты определены конкретные её параметры для региональных условий г. Салехарда и предложено результаты проведенных исследований применить для районов характеризуемых не только наличием мёрзлых пород, но и для имеющих суровые зимние условия.

Достоверность защищаемых положений основана на следующем.

1. Применённые в работе методы исследований основаны на использовании современных физических теорий о процессах тепло-массообмена и механики деформирования грунтов и дисперсных строительных материалов при протекании в них процессов замерзания-таяния поровой влаги, применяемых в общем и инженерном мерзлотоведении, материаловедении и строительном деле.

2. Методические средства исследований проверялись на сходимость по результатам применения с известными и широко применяемыми в практике анализа условий и проектирования при строительстве в районах криолитозоны.

3. Полученные в работе результаты сверялись с известными в рассматриваемых вопросах достижениями других исследователей, а в ряде случаев экпериментально проверялись в натурных и лабораторных условиях.

Практическая значимость проведенных исследований и их результатов состоит в следующем.

Все полученные в работе результаты имеют направленность на их использование в практике проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений в криолитозоне и районах с суровыми зимними условиями. Применение предложенных в работе методов расчета, технических предложний и конкретных технических решений позволит снизить себестоимость эксплуатации зданий и сооружений в упомянутых региональных условиях.