Строительство на вечномерзлых грунтах книги

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

Автором рассматриваются мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, принципы использования их в качестве основания зданий и сооружений, конструктивные решение фундаментов, применяемых на вечномёрзлых грунтах с целью ознакомления с особенностями мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, с особенностями проектирования фундаментов в условиях вечной мерзлоты, новыми типами фундаментов и др. Собрана и систематизирована информация о свойствах мёрзлых грунтов, об инженерных мероприятиях, применяемых на таких грунтах. Анализ собранных данных показал, какие типы фундаментов стоит применять в строительстве на многолетнемёрзлых грунтах в ближайшей и дальней перспективах.

ВВЕДЕНИЕ

Центральная Сибирь и Дальний Восток – территория, отличающаяся огромными запасами полезных ископаемых. Здесь присутствуют крупнейшие месторождения углеводородов, угля, золота, гелия, меди, алмазов, крупные месторождения цветных, чёрных и редких металлов, фосфоритов урана, олова, и других рудных и нерудных полезных ископаемых. Освоение этих территорий отвечает национальным интересам России. Однако, наибольшая сложность развития инфраструктуры Центральной Сибири и Дальнего Востока обуславливается не только отдалённостью этих территорий, но и инженерно-геологическими условиями. Большую часть этих территорий занимают мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты.

Мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают обширные территории Азии, Северной Америки, Антарктиды, а также в Европе. Общая площадь распространения таких грунтов составляет 35,17 млн. км2 (23 % земной суши), из них 11 млн. км2 в Российской Федерации. В России (рис. 1) мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают в основном азиатскую часть, при этом область их распространения простирается вплоть до Северного Ледовитого океана. Они охватывают большую часть Сибири и всю Арктику. [1]

Мёрзлыми называются грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своём составе лёд. Многолетнемёрзлыми являются мёрзлые грунты, находящиеся в таком состоянии в течении трёх и более лет. Благодаря содержанию в своей структуре льда, мёрзлые грунты являются практически несжимаемыми, однако, при оттаивании их несущая способность резко уменьшается и они дают большую просадку. Значительно изменяются и прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при перемене температур в отрицательном спектре.

Особенности проектирования зданий и сооружений на вечной мерзлоте.

Особые природные и экономические условия районов распространения многолетнемёрзлых грунтов обуславливают особые требования к проектированию, возведению и эксплуатации зданий и сооружений. К таким условиям относятся: суровый климат, мёрзлое состояние грунтов и экономические особенности, связанные с удалённостью и малой освоенностью территорий.

При строительстве на многолетнемёрзлых грунтах повышаются требования к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций и материалов, из которых возводится здание или сооружение. Применяются особые архитектурно-планировочные решения, связанные с длительным пребыванием человека вне улицы. Высокие скорости ветра в таких условиях не только предполагают специальную защиту ограждающих конструкций зданий и сооружений, но и усиление несущих конструкций. Из-за часто повторяющихся ветров объекты заносит снегом, что нарушает транспортное сообщение, проветривание подполий зданий. В связи с этим применяются решения по защите объектов от снегозаносов. [2] Наибольшая же специфичность проектирования зданий на многолетней мерзлоте сосредоточена в вопросах проектирования фундаментов, для этого написан даже отдельный свод правил, СП 25.13330.2012

Принципы использования мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов в качестве основания.

При проектировании зданий и сооружений на таких грунтах используются два принципа, сформулированные Н. А. Цытовичем. [3] При принципе I грунты используются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации зданий и сооружений. При принципе II – грунты используются в оттаявшем или оттаивающем состояниях.

Инженерные мероприятия для принципа I.

Подполья. Устройство подполья является наиболее распространённым способом регулирования теплового влияния зданий на температурный режим оснований. Оно представляет собой часть здания, заключённое между перекрытием первого этажа и грунтом основания. Непроветриваемые подполья устраиваются в районах с низкими отрицательными температурами и при незначительных

размерах здания в плане, когда основание остаётся мёрзлым за счет бокового охлаждения через грунт. Открытые подполья имеют постоянное сообщение с наружным воздухом. Однако, постоянная низкая температура в открытом подполье создаёт неблагоприятный температурный режим для помещений первого этажа здания. Чтобы снизить влияние низкой температуры на температурный режим помещений первого этажа, часто используются подполья с регулируемым проветриванием. Средством вентиляции для них служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания.

Подсыпки. Их применение целесообразно в случаях, когда грунт основания плохо поддаётся разработке, например, на площадках с ископаемым льдом, при возможности карстовых явлений и пр. [4] В качестве материала для подсыпки хорошо подходят не сцементированные льдом пески средней крупности и крупные, а также крупнообломочные грунты (содержащие частицы размером до 0,1 мм). Высота подсыпки подбирается исходя из того, что высота протаивания под ней была не больше естественной мощности сезоннопротаивающего слоя.

Охлаждающие трубы и каналы. Охлаждающие трубы проводятся на некоторой глубине под всем зданием и объединяются коллекторами, по которым подаётся охлаждающая жидкость или газ. Искусственное охлаждение используется при значительных технологических нагрузках на полы, а также при невозможности использования проветриваемых подполий.

Фундаменты, используемые в многолетнемёрзлых грунтах.

В основном на многолетнемёрзлых грунтах применяются висячие сваи, обеспечивающие несущую способность за счет смерзания боковой поверхности с грунтом и операния острия сваи. [5] Однако, бывают случаи, когда целесообразнее всего применить другой тип фундаментов. Например, когда здание возводится на подсыпке, на площадках с неглубоким залеганием кровли разрушенных скальных пород, а также на площадках с массивами льда, применяются сборные столбчатые фундаменты. Ленточные фундаменты применяют в том случае, когда их подошвы проектируются в пределах насыпи из непучинистых грунтов.

Устройство столбчатых и ленточных фундаментов предполагает большой объём земляных работ, поэтому наиболее рациональных в условиях многолетней мерзлоты является устройство свайных фундаментов.

На многолетнемёрзлых грунтах в большинстве случаев применяются буроопускные сваи с гладкой боковой поверхностью. В предварительно пробуренную на определённую глубину скважину опускают сваю, а пространство между сваей и стенками скважины заполняют грунтовым раствором и выдерживают до смерзания с окружающими грунтами. Нагрузка от сооружения передается на грунты основания через нижний конец сваи и боковую ее поверхность.

Серьёзным недостатком буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью является их малая надёжность в условиях веч-ной мерзлоты за счёт снижения несущей способности со временем. Не последней проблемой в зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов является глобальное потепление.Появилась необходимость появления новых типов свай, позволяющих использовать несущую способность оснований более эффективно. [6]

Несмотря на положительные стороны винтовых свай, таких, как их высокая технологичность и дешевизна, существует ряд серьёзных недостатков. Бурение скважин под такие сваи не прощает ошибок, так как возможно существенное снижение несущей способности основания по боковой поверхности сваи.

Ребристые сваи. Анализ литературы показал, что необходимо стремиться к созданию буроопускных свай с неровной боковой поверхностью, так как именно эта конфигурация позволяет существенно увеличить несущую способность грунтов основания. С этой целью Набережным А. Д. была разработана методика по расчёту таких свай. Они представляют собой сваи с ребристой боковой поверхностью. Грунт под рёбрами таких свай работает на сжатие, что намного эффективнее, чем работа грунта на сдвиг по поверхности смерзания с материалом обычной буроопускной сваи.

При использовании ребристых свай на их ребрах образуется тонкий слой льда. В ребристых сваях нагрузка передается нижними гранями ребер и грунт или грунтовый раствор работает преимущественно на сжатие, вследствие чего наличие льда не будет значительно снижать несущую способность основания. Экспериментальным путём было установлено, что, чем меньше шаг рёбер, тем выше несущая способность. [7]

Ребристые сваи наиболее эффективны в условиях вечной мерзлоты ввиду того, что площадь смерзания поверхности сваи с грунтом больше, вследствие чего повышается несущая способность основания. Использование ребристых свай экономически более выгодно, чем использование буроопускных свай с гладкой поверхностью.

Ремонтные работы повреждённых зданий и сооружений требуют больших затрат. Поэтому, гораздо более целесообразно внедрение в строительное производство нового типа свай. По данным технико- экономического сравнения буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью и свай с ребристой боковой поверхностью, экономический эффект при внедрении данного типа свай составит порядка 2 млрд. руб/год.

Источник

Строительство в условиях вечномёрзлых грунтов

Северная строительно-климатическая зона включает районы Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока. Она отличается широким диапазоном изменения температур и влажности воздуха, ветровых воздействий, ландшафта.

Вечномерзлые грунты имеют отрицательную или нулевую температуру, содержат в своем составе лед и находятся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Они имеют сплошное или островное распространение. В северных районах мощность их достигает 500 м. Поверхностный слой подвергается сезонному оттаиванию – промерзанию. По состоянию в природных условияхвечномерзлые грунты подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Инженерно-хозяйственная деятельность человека приводит к ослаблению вечной мерзлоты, к появлению термокарстовых явлений.

Тепловые загрязнения геологической среды в процессе хозяйственной деятельности часто являются причиной массовых деформаций зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Отепляющие воздействия инфраструктуры приводят к развитию термокарста. При чрезмерном охлаждении возможны деформации, вызванные морозобойным растрескиванием, пучением грунтов.

В состав мероприятий по инженерной подготовке территорий входит: вертикальная планировка; устройство дорог и прокладка коммуникаций, отвод поверхностных вод; осушение; недопущение затопления, образования термокарстов.

При строительстве на вечномерзлых грунтах применяют два основных принципа: I – грунты основания сохраняют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации; II – грунты основания используют в оттаявшем или в оттаивающем состоянии.

При строительстве по I принципу, несущие конструкции проектируют без учета их осадочных деформаций. Конструктивная система здания такая же, как и при строительстве в обычных условиях. Основным видом фундаментов являются свайные. Поверху свай устраивается сплошной ростверк. Допускается применение столбчатых железобетонных и монолитных бетонных фундаментов.

Сохранение вечномерзлого состояния грунтов при проектировании по принципу I достигается: возведением зданий на подсыпках; теплоизоляцией поверхности грунта под полом; устройством вентилируемых подполий; расположением на первом этаже неотапливаемых помещений; прокладкой под полом охлаждающих вентиляционных каналов; искусственным охлаждением грунтов.

Принцип I должен применяться, если грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах. Использование пластично мерзлых грунтов в качестве основания по принципу I допускается при условии понижения их температур.Принцип II должен применяться при наличии в основании скальных грунтов или вечномерзлых, деформация которых при оттаивании не превышает предельно допустимых значений для проектируемых сооружений и в тех случаях, когда это экономически оправдано. Уменьшение деформаций может быть достигнуто предварительным искусственным оттаиванием на заданную глубину, устройством грунтовых подушек, увеличением глубины заложения и прорезкой сильносжимаемых слоев с опиранием на малосжимаемое основание.

В отмечается, что возводимые системы неремонтнопригодны, т.е. работают до первого отказа. Предполагается создать ремонтнопригодные системы с управляемой величиной долговечности. Для этого в конструкциях зданий следует предусматривать возможность восстановления их первоначальных форм.

Регулирование теплового взаимодействия здания с основанием позволит повысить долговечность в несколько раз. Вентилируемое подполье позволяет стабилизировать верхнюю границу вечномерзлых грунтов. Режим вентиляции назначается из условия равенства глубины промерзания грунтов в подполье глубине их последующего оттаивания.При наличии в основании твердомерзлых грунтов основание рассчитывают только по первой группе предельных состояний.

9.Методы устройства шпунтовых ограждений и грунтовых перимычек.

Железные шпунты являются самыми распространенными, часто используется шпунтовое ограждение котлована из труб. Преимуществами данного вида ограждений являются надежность и доступная стоимость. Шпунты после завершения строительных работ извлекаются из земли, они являются многоразовыми и подлежат повторному использованию.

Деревянное шпунтовое ограждение котлована цена на которое достаточно низкая, также пользуется популярностью. Оно не подлежит использованию повторно, не может использоваться на твердых грунтах с остатками камней, старых затопленных деревьев, различного строительного мусора.

Бетонные шпунты стоимость выше, чем стоимость железных. Данный вид шпунтов остается в земле после окончания строительства, они становятся частью фундамента. Бетонные шпунты широко используются при строительстве многоэтажных домов.

Шпунты Ларсена широко применяются в строительстве, для их изготовлении используется металлический профиль высокого качества желобообразной формы с закругленными концами. Концы профиля также называют замками, так как они соединяются между собой и надежно защищают котлован от оползней. Шпунты Ларсена часто используются при строительстве мостов, дамб, причалов, а также при проведении других видов работ, которые нуждаются в надежном ограждении.

Существуетчетыре основных способа погружения в землю

1.- ударный, при его использовании сваи забиваются в грунт. Его применение не зависит от типа почвы.

2.- вибрационный, В условиях сухих и песчаных почв сваи погружаются при помощи вибропогружателя

3.- Вдавливание, на глинистых почвах и почвах с большим содержанием влаги

4.- погружение в скважины, которые были пробурены заранее.

Грунтовые перемычки применяются для ограждения котлованов в открытых водоемах в тех случаях, когда необходимые для их возведения объемы грунтового материала находятся в непосредственной близости от места возведения перемычки. Работы по сооружению таких перемычек могут быть полностью механизированы и выполняться с большой производительностью.

Грунтовые перемычки проектируются как грунтовые плотины небольшой высоты и возводятся теми же методами. При этом необходим расчет их устойчивости с учетом как статических нагрузок, так и возникающих гидродинамических усилий. При выборе крутизны откосов необходимо учитьгоать возможность фильтрации воды в котлован через перемычку. В связи с этим основание nepeiV№r4KH со стороны котлована должно быть выполнено таким образом, чтобы фильтрующий через перемычку поток не снижал его устойчивости. Фильтрационный расход и дождевые осадки должны собираться в специальные водосборные канавы и отводиться в сторону. Напорная грань перемычек со стороны водоема должна бьггь защищена от возможного разрушения. Для этой цели применяется каменная наброска или покрытие откоса фашинами.

10.Особенности технологии выторфовывания заболоченных територий.

Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов.

Насыпи на болотах в зависимости от типа болота, технической категории могут быть возведены:

— без выторфовывания с отсыпкой непосредственно на поверхности болота;

— после полного или частичного выторфовывания;

— с отсыпкой на слое торфа с последующей посадкой насыпи на минеральное дно болота;

— на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или вертикальных дрен

На болотах I типа возможно либо полное выторфовывание, либо частичное выторфовывание, либо обжатие торфа ( без предварительного выторфовывания1) при устройстве насыпи. Если применяются глинистые грунты, то в нижней части насыпи делают капиллярный прерыватель из песчаного грунта. Высота Я насыпи над поверхностью болота зависит от глубины V выторфовывания.

В первом случае насыпи погружаются путем собственного веса, или путем взрывания торфа, или путем выторфовывания предварительно осушенного болота. Во втором случае на минеральное дно болота опирается не вся насыпь, но только две призмы, находящиеся у краев. Третий способ работ применяется при значительной глубине болота или при наличии плотных и хорошо разложившихся торфов. Лучшим грунтом для возведения насыпей на болотах является гравелистый и крупный песок.

На болотах I и II типа глубиной более 3 м насыпь может быть уложена на торфяное основание без выторфовывания) либо с частичным выторфовыванием верхнего слоя горфяпой залежи, замедляющим осадку посыпки. Ширина насыпи назначается з зависимости от диаметра и габарита засыпки трубопровода и ширины эксплуатационного проезда.

На болотах I типа насыпи высотой до 3 м отсыпают при полной или частичной замене торфа в основании минеральным грунтом. Сумма величин высоты насыпи над поверхностью болота и глубины траншеи выторфовывания должна быть не менее 3 5 м для дорог I и II категорий и 3 м для дорог III категории.

Насыпи на болотах возводят по специальным профилям. Выбор их конструкции обосновывается технико-экономическими расчетами, которыми устанавливается необходимость полного или частичного выторфовывания болота, укладка еланей, устройство песчаных свай. Высота насыпи на болоте после ее осадки должна быть, считая от поверхности болота, не менее 0 8 м, если торф из-под насыпи удален, и не менее 1 2 м, если торф оставлен.

Поперечные профили насыпей на болотах устанавливают в зависимости от типа болота, его глубины, уклона минерального дна. Конструкцию земляного полотна при этом ( частичное или полное удаление торфа в основании, отсыпка насыпей без выторфовывания, сооружение насыпей на еланях или песчаных сваях) выбирают на основе технико-экономических расчетов с учетом типовых приемов проектирования, проверенных многолетней практикой.

Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов.

Следует различать три типа болот:

III— болота с торфяным слоем, плавающим на воде или сапропеле, содержание в пределах болотной толщи хотя бы один слой, который при возведении насыпи высотой до 3 м выдавливается независимо от интенсивности возведения насыпи.

Торф — горючее полезное ископаемое растительного происхождения.

Слой мергеля— каменистая порода формировавшаяся несколь тысяч лет

Источник