Б. Принципы строительства на вечномерзлых грунтах
Из каждого опыта определяется коэффициент Просадочности
А. Механические свойства мерзлых грунтов
Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов
В таком случае, прогноз температурного режима оснований в условиях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение.
Изучение сжимаемости мерзлых грунтов при оттаивании обычно производится в одометрах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Образец помещается в прибор, дается вертикальная нагрузка p1 (участок аб, рис. 15.2). Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при p1=const, что ведет к разрушению цементационных связей (так как вода переходит в жидкое состояние) и грунт может значительно уплотнится (бв – рис 15.2). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации при оттаивании образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкой, что характеризуется сжимаемостью оттаивающего грунта (вг – рис. 15.2). Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжатия p1.
Рис. 15.2. Зависимости деформаций образца оттаивающего грунта (а) и коэффициента просадочности (б) от нормального давления
Имеет практически линейный характер и описывается уравнением
соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости, которые являются основными расчетными характеристиками при вычислении осадок оттаивающих оснований.
Существует два принципа строительства на вечномерзлых грунтах:
I принцип – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраненном в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;
II принцип – в качестве оснований знаний и сооружений используются предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаивающие в период эксплуатации сооружения.
I принцип применяется в тех случаях, когда расчетные деформации основания в предположении его оттаивания превышают предельное их не удается привести в нормальное состояние конструктивными мерами или улучшением строительных свойств основания. Принцип эффективен, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и такое состояние может быть сохранено при экономически разумных затратах.
II принцип рекомендуется применять при неглубоком расположении (залегании) скальных грунтов, а также при малосжимаемых мерзлых грунтах при оттаивании (плотные крупнообломочные грунты и пески, пылевато-глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции).
Ø При строительстве по I-му принципу для сохранения вечномерзлого состояния оснований используются различные методы.(рис.)
Рис.15.3. Мероприятия для сохранения вено мерзлого состояния грунтов:
1 – вечномерзлый грунт; 2 – верхняя граница слоя вечномерзлого грунта; 3 – деятельный слой; 4 – насыпной непучинистый грунт (пески средней крупности, крупные, крупнообломочные грунты, шлаки ) ; 5 – теплоизоляция; 6 – вентилируемое подполье; 7 – сваи; 8 – неотапливаемый 1-ый этаж; 9 – вентиляционные каналы; 10 – замораживающие колонки;
· Подсыпка применяется при вертикальной планировке территорий или устраивается под отдельными зданиями;
· Телпоизоляция в сочетании с другими методами для сооружений, занимающих небольшую площадь;
· Вентилируемые подполья – является основным и наиболее распространенным способом регулирования теплового влияния здания на температурный режим основания, открытые подполья имеют сообщение с наружной средой.
“ – “ В зимний период подполья заносятся снегом, а летом в них поступает теплый воздух, растепляющий основание. Кроме того, от этого возникает неблагоприятный температурный режим во внутренних помещениях 1-ого этажа.
В этом случае более эффективны подполья с регулируемым проветриванием – с продухами.
Зимой продухи открыты, а в летнее время их закрывают.
· Иногда роль вентилируемого подполья выполняют неотапливаемые помещения 1-ого этажа.
· Промораживающие колонки применяют для предпостроечного промораживания оснований, а также для последующего поддержания в основании заданного температурного режима.
Ø При использовании принципа II на вечномерзлых грунтах существуют два основных подхода
· Предпостроечное оттаивание. Для повышения температуры грунта наиболее часто используют игловое гидро- или парооттаивание, или электрический прогрев с применением электроосмоса и иглофильтрового понижения, оттаивание может быть произведено как в пределах всей площади застройки, так и под отдельными фундаментами, если это обосновано расчетом по деформациям.
· Оттаивание грунтов в процессе эксплуотации сооружений должно применятся с большой осторожностью и подкрепляться тщательным прогнозом температурного режима деформаций оттаивающего основания.
Методы строительства на вечной мерзлоте
В зависимости от местных мерзлотно-грунтовых условий, а также конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий и сооружений их строительство ведут либо с сохранением природного мерзлого состояния грунтов (I метод), либо допускают их оттаивание (II метод). При этом указанное оттаивание может происходить в одном случае постепенно, в процессе эксплуатации возведенных зданий и сооружений, если по качеству грунтов основания оно допустимо и не может вызвать появления больших и неравномерных осадок. В другом случае оттаивание производят до начала строительства, когда грунты сильно сжимаемы и после оттаивания требуется выполнять соответствующие работы по улучшению их качества.
Строительство по споco6y сохранения мерзлоты ведут, как правило, в тех случаня, когда грунты в природных условиях находятся в твердомерзлом состоянии. Для пластичномерзлых грунтов этот метод применим при условии осуществления мероприятий по понижению их температуры в сравнении с наблюдаемой в природных условиях залегания.
Строительство на оттаивающих или оттаявших грунтах ведут обычно при несплошном залегании вечной мерзлоты, наличии пластичномерзлых грунтов, мерзлотное состояние которых сохранить трудно, и в других аналогичных случаях. На каждой площадке рекомендуется применять один из указанных двух методов или принципов строительства. Совместное их применение допускается лишь при условии, если будет исключено нарушение устойчивости возводимых и уже возведенных зданий и сооружений, вызванное взаимным тепловым их влиянием на грунты основания.
Для сохранения мерзлоты в основании зданий устраивают проветриваемое подполье высотой не менее 0,7-1,0 м. Поверхность грунта в подполье и у зданий планируют с уклоном во внешнюю сторону не менее 0,02 и покрывают термоизоляционным слоем из шлака. Вместо шлака в пределах подполья применяют также мох и торф, которые присыпают сверху слоем земли против возгорания. Перекрытия над подпольем должны быть непродуваемыми и обладать необходимым термическим сопротивлением.
В зимнее время тщательно следят за продухами (окнами), через которые поступает холодный воздух в подполье, и постоянно очищают их от снежных заносов. Летом рекомендуется поверхность грунта у зданий защищать от нагрева солнечными лучами укладкой, например дощатых щитов для тротуаров.
Для погружения свай бурят в мерзлом грунте скважины, которые заполняют примерно на 1/3 глубины глинистым раствором текучей консистенции. Для его приготовления используют в ряде случаев также и выбуренные породы (шлам). Этот раствор берут несколько подогретым, чтобы не происходило его преждевременное замерзание. Затем в скважину забивают сваю, причем излишки раствора выдавливаются наружу. Раствор в скважине замерзает и происходит хорошее смерзание сваи с окружающим грунтом.
В пластичномерзлых грунтах возможна забивка свай в скважины несколько меньшего диаметра, чем поперечные размеры самой сваи, а иногда она осуществима даже без устройства скважин. Такие сваи называют бурозабивными и забивными.
Рис. 3.1. Фундаменты свайной и столбчатой конструкции (справа) для зданий на вечной мерзлоте:
А – проветриваемое подполье; П – продухи; В. М. – вечная мерзлота; 1 – подушка из двух рядов деревянных брусьев; 2 – мокрый песок; 3 – галька, гравий или крупный песок; 4 – мох.
Расчет фундаментов, проектируемых по принципу сохранения мерзлоты в их основании, ведут с учетом сил, возникающих на боковой их поверхности вследствие смерзания с грунтом вечной мерзлоты. Для свай эти силы учитывают по всей глубине заделки в вечномерзлый грунт. Для столбчатых фундаментов их в расчет принимают лишь в пределах высоты нижнего уступа подушки, если грунт будет засыпан в пазухи котлована с хорошим уплотнением.
Расчетное сопротивление грунтов для условий осевой вертикальной нагрузки от фундамента определяют по формуле
(3.2.)
где k1 m1 и k2 m2 – произведения коэффициентов однородности и условий работы;
τ н i и hi — нормативное сопротивление сдвигу i – го слоя, принимаемое по табл. и его мощность;
Коэффициенты однородности k1 и k2 принимают равными 0,8.
Для фундаментов из забивных и бурозабивных свай, если они погружены в вечномерзлые грунты сетчатой и слоистой текстуры, коэффициент k1 при льдистости грунта Лв >0,1 умножают на величину, равную 1- Лв. Характер текстуры вечномерзлого грунта устанавливают по виду рисунка ледяных включении.
Коэффициент m1 при температуре грунта t > 20º для всех видов фундаментов, кроме свайных, берут равным 0,9. Для забивных и бурозабивных свай m1 = 1,1, в остальных случаях m1 = 1,0.
Коэффициент m2 для свайных фундаментов, опирающихся подошвой на крупнообломочные грунты или на крупные и среднезернистые пески, принимают при льдистости грунта Лв ≤ 0,03, соответственно равными 2,5 и 1,5. Если для указанных грунтов льдистость будет Лв >0,3, а также в случае опирания нижнего конца свай на мелкие и пылеватые пески, льдистость которых Лв ≤ 0,1, берут m2=1,2. Для свай, опираемых на лед, а также для деревянных свай, погружаемых с пропариванием грунта или в скважины залитые раствором, полагают m2=0. В остальных случаях считают m2=1,0.
При внецентренной нагрузке на основание учитывают, что действие момента внешних сил на фундамент частично уравновешивается касательными силами, возникающими на боковой его поверхности вследствие смерзания с грунтом.
При строительстве по методу оттаивания грунтов основания учитывают, что оно происходит в пределах некоторой области, называемой ч а ш е й о т т а и в а н и я (рис.3.2). Размеры чаши устанавливают приближенно по опытным данным или на основе теплотехнических расчетов.
Рис. 3.2. Схема образования чаши оттаивания в вечномерзлом грунте
Если оттаивание грунта происходит в процессе эксплуатации зданий после их возведения, необходимо, чтобы оно протекало медленно и равномерно. Это достигается правильным распределением тепловых агрегатов в помещениях и принятием ряда мер, затрудняющих быстрое проникание тепла в грунт (проветривание подполья, термоизоляционная защита грунта и т. п.). При проектировании зданий стремятся применять конструкции, менее чувствительные к неравномерным осадкам. Зданиям придают простое очертание в плане, избегая устройства входящих углов. Нагрузку на фундаменты распределяют возможно равномернее и избегают близкого расположения помещений с различным тепловым режимом. В необходимых случаях устраивают осадочные швы для разделения здания на отдельные отсеки, а стены усиливают применением железобетонных или железокирпичных поясов.
В том случае, когда последующее оттаивание недопустимо вследствие неблагоприятного качества грунтов, а сохранение мерзлого их состояния крайне затруднительно или дорого, применяют предпостроечное оттаивание, производимое до начала строительства. Его ведут на глубину не менее 60% от расчетной глубины оттаивания, определяемой на период первых 10 лет эксплуатации возводимых зданий и сооружений.
Большой интерес представляет сочетание электрооттаивания грунтов с их электроосушением. Здесь происходит не только обезвоживание оттаивающей толщи, но и одновременное уплотнение грунтов, что улучшает их строительные свойства. Метод предпостроечного электрооттаивания и уплотнения грунтов нашел применение на строительстве ряда объектов в Воркуте.
Глубину заложения фундаментов на грунтах, подвергнутых оттаиванию или находящихся в стадии оттаивания, устанавливают, как и при строительстве на талых грунтах. Коэффициент теплового влияния зданий принимают mt = 1,2 у наружных стен, если вдоль этих стен устроены отмостки или асфальтовое покрытие. Когда таких отмосток и покрытий нет, берут mt= 1,0. Для внутренних стен значение mt =0,8.
Методы строительства на вечной мерзлоте
В зависимости от местных мерзлотно-грунтовых условий, а также конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий и сооружений их строительство ведут либо с сохранением природного мерзлого состояния грунтов (I метод), либо допускают их оттаивание (II метод). При этом указанное оттаивание может происходить в одном случае постепенно, в процессе эксплуатации возведенных зданий и сооружений, если по качеству грунтов основания оно допустимо и не может вызвать появления больших и неравномерных осадок. В другом случае оттаивание производят до начала строительства, когда грунты сильно сжимаемы и после оттаивания требуется выполнять соответствующие работы по улучшению их качества.
Строительство по споco6y сохранения мерзлоты ведут, как правило, в тех случаня, когда грунты в природных условиях находятся в твердомерзлом состоянии. Для пластичномерзлых грунтов этот метод применим при условии осуществления мероприятий по понижению их температуры в сравнении с наблюдаемой в природных условиях залегания.
Строительство на оттаивающих или оттаявших грунтах ведут обычно при несплошном залегании вечной мерзлоты, наличии пластичномерзлых грунтов, мерзлотное состояние которых сохранить трудно, и в других аналогичных случаях. На каждой площадке рекомендуется применять один из указанных двух методов или принципов строительства. Совместное их применение допускается лишь при условии, если будет исключено нарушение устойчивости возводимых и уже возведенных зданий и сооружений, вызванное взаимным тепловым их влиянием на грунты основания.
Для сохранения мерзлоты в основании зданий устраивают проветриваемое подполье высотой не менее 0,7-1,0 м. Поверхность грунта в подполье и у зданий планируют с уклоном во внешнюю сторону не менее 0,02 и покрывают термоизоляционным слоем из шлака. Вместо шлака в пределах подполья применяют также мох и торф, которые присыпают сверху слоем земли против возгорания. Перекрытия над подпольем должны быть непродуваемыми и обладать необходимым термическим сопротивлением.
В зимнее время тщательно следят за продухами (окнами), через которые поступает холодный воздух в подполье, и постоянно очищают их от снежных заносов. Летом рекомендуется поверхность грунта у зданий защищать от нагрева солнечными лучами укладкой, например дощатых щитов для тротуаров.
Для погружения свай бурят в мерзлом грунте скважины, которые заполняют примерно на 1/3 глубины глинистым раствором текучей консистенции. Для его приготовления используют в ряде случаев также и выбуренные породы (шлам). Этот раствор берут несколько подогретым, чтобы не происходило его преждевременное замерзание. Затем в скважину забивают сваю, причем излишки раствора выдавливаются наружу. Раствор в скважине замерзает и происходит хорошее смерзание сваи с окружающим грунтом.
В пластичномерзлых грунтах возможна забивка свай в скважины несколько меньшего диаметра, чем поперечные размеры самой сваи, а иногда она осуществима даже без устройства скважин. Такие сваи называют бурозабивными и забивными.
Рис. 3.1. Фундаменты свайной и столбчатой конструкции (справа) для зданий на вечной мерзлоте:
А – проветриваемое подполье; П – продухи; В. М. – вечная мерзлота; 1 – подушка из двух рядов деревянных брусьев; 2 – мокрый песок; 3 – галька, гравий или крупный песок; 4 – мох.
Расчет фундаментов, проектируемых по принципу сохранения мерзлоты в их основании, ведут с учетом сил, возникающих на боковой их поверхности вследствие смерзания с грунтом вечной мерзлоты. Для свай эти силы учитывают по всей глубине заделки в вечномерзлый грунт. Для столбчатых фундаментов их в расчет принимают лишь в пределах высоты нижнего уступа подушки, если грунт будет засыпан в пазухи котлована с хорошим уплотнением.
Расчетное сопротивление грунтов для условий осевой вертикальной нагрузки от фундамента определяют по формуле
(3.2.)
где k1 m1 и k2 m2 – произведения коэффициентов однородности и условий работы;
τ н i и hi — нормативное сопротивление сдвигу i – го слоя, принимаемое по табл. и его мощность;
Коэффициенты однородности k1 и k2 принимают равными 0,8.
Для фундаментов из забивных и бурозабивных свай, если они погружены в вечномерзлые грунты сетчатой и слоистой текстуры, коэффициент k1 при льдистости грунта Лв >0,1 умножают на величину, равную 1- Лв. Характер текстуры вечномерзлого грунта устанавливают по виду рисунка ледяных включении.
Коэффициент m1 при температуре грунта t > 20º для всех видов фундаментов, кроме свайных, берут равным 0,9. Для забивных и бурозабивных свай m1 = 1,1, в остальных случаях m1 = 1,0.
Коэффициент m2 для свайных фундаментов, опирающихся подошвой на крупнообломочные грунты или на крупные и среднезернистые пески, принимают при льдистости грунта Лв ≤ 0,03, соответственно равными 2,5 и 1,5. Если для указанных грунтов льдистость будет Лв >0,3, а также в случае опирания нижнего конца свай на мелкие и пылеватые пески, льдистость которых Лв ≤ 0,1, берут m2=1,2. Для свай, опираемых на лед, а также для деревянных свай, погружаемых с пропариванием грунта или в скважины залитые раствором, полагают m2=0. В остальных случаях считают m2=1,0.
При внецентренной нагрузке на основание учитывают, что действие момента внешних сил на фундамент частично уравновешивается касательными силами, возникающими на боковой его поверхности вследствие смерзания с грунтом.
При строительстве по методу оттаивания грунтов основания учитывают, что оно происходит в пределах некоторой области, называемой ч а ш е й о т т а и в а н и я (рис.3.2). Размеры чаши устанавливают приближенно по опытным данным или на основе теплотехнических расчетов.
Рис. 3.2. Схема образования чаши оттаивания в вечномерзлом грунте
Если оттаивание грунта происходит в процессе эксплуатации зданий после их возведения, необходимо, чтобы оно протекало медленно и равномерно. Это достигается правильным распределением тепловых агрегатов в помещениях и принятием ряда мер, затрудняющих быстрое проникание тепла в грунт (проветривание подполья, термоизоляционная защита грунта и т. п.). При проектировании зданий стремятся применять конструкции, менее чувствительные к неравномерным осадкам. Зданиям придают простое очертание в плане, избегая устройства входящих углов. Нагрузку на фундаменты распределяют возможно равномернее и избегают близкого расположения помещений с различным тепловым режимом. В необходимых случаях устраивают осадочные швы для разделения здания на отдельные отсеки, а стены усиливают применением железобетонных или железокирпичных поясов.
В том случае, когда последующее оттаивание недопустимо вследствие неблагоприятного качества грунтов, а сохранение мерзлого их состояния крайне затруднительно или дорого, применяют предпостроечное оттаивание, производимое до начала строительства. Его ведут на глубину не менее 60% от расчетной глубины оттаивания, определяемой на период первых 10 лет эксплуатации возводимых зданий и сооружений.
Большой интерес представляет сочетание электрооттаивания грунтов с их электроосушением. Здесь происходит не только обезвоживание оттаивающей толщи, но и одновременное уплотнение грунтов, что улучшает их строительные свойства. Метод предпостроечного электрооттаивания и уплотнения грунтов нашел применение на строительстве ряда объектов в Воркуте.
Глубину заложения фундаментов на грунтах, подвергнутых оттаиванию или находящихся в стадии оттаивания, устанавливают, как и при строительстве на талых грунтах. Коэффициент теплового влияния зданий принимают mt = 1,2 у наружных стен, если вдоль этих стен устроены отмостки или асфальтовое покрытие. Когда таких отмосток и покрытий нет, берут mt= 1,0. Для внутренних стен значение mt =0,8.