В Оулуском университете (ведущий университет Финляндии) на факультете архитектуры, гражданского и промышленного строительства была создана лабораторная модель грунта, состоящая из небольшого слоя плодородного слоя (гумуса) и супеси. Модель также включала в себя источник влаги (для имитации влияния грунтовых вод). Для удобства наблюдения процессов на срезе грунта было установлено стекло:
Рис.1. Модель грунта.
Лабораторная установка позволяла создать отрицательные температуры на поверхности "грунта", а также термальное тепло "на глубине", аналогичные природным.
Рис. 2. Начало процесса промерзания.
На рисунке 2 показано начало процесса промерзания, отчётливо видна граница проникновения отрицательных температур в толщу супеси, а также начало образования ледяных линз.
Рис. 3. Начало пучения.
На рис.3 видно, что выпучивание грунта происходит по мере роста ледяных линз на границе промораживания.
Рис. 4. Рост ледяных линз.
Рост ледяных линз (рис.4) приводит к увеличению выпучивания грунта. Максимальных значений пучение достигает, когда в грунте формируется сплошной слой льда:
Рис.5. Сплошной слой (массив) льда в грунте.
Интересно также рассмотреть процессы пучения при использовании свай:
Рис. 6. Модель грунта со сваей.
На этой модели мы также можем наблюдать продвижение фронта промораживания (границы замерзания):
Рис.7. Продвижение границы промораживания грунта.
По мере промораживания мы видим искривление границы промерзания - сказывается влияние сваи, которая является хорошим проводником тепла, поэтому промерзание вокруг неё происходит быстрее и на большую глубину:
Рис.8. Искривление границы промораживания.
Заметно также становится, что начинается выпучивание сваи - её пятка поднялась относительно того положения, что было ранее.
Рис.9. Касательные и нормальные силы морозного пучения.
В этот момент на сваю действуют 2 типа сил пучения:
- Касательные, связанные с тем, что сваю зажимает в толще пучащегося грунта, в результате пучащийся грунт увлекает её за собой вверх.
- Нормальные - это образование ледяных линз под пяткой сваи.
Пучение сваи также может достигать очень значительных величин, несмотря на то, что её пятка расположена значительно ниже глубины промерзания грунта:
Рис. 10. Величина подъёма сваи в следствии пучения.
Моделирование со сваями показывает, почему бесполезным и даже вредным является использование коротких свай (2-2,5 метра). Даже если глубина промерзания грунта будет составлять 1,4-1,5 метра, вокруг самой сваи оно будет происходить на глубину до 2,5 метров, усиливая негативные процессы пучения.