Строительство зданий в районах вечной мерзлоты

Тема 8.2. Строительство зданий в районах вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющие по­стоянно в природных условиях отрицательную или нулевую температуру. Такие грунты занимаютоколо48% территории России.

Верхний, покровный слой грунта, расположенный над вечно- мерзлыми пластами и подвергающийся сезонному замораживанию и оттаиванию, называют деятельным слоем. Его мощность обычно колеблется в пределах от 0,5 до 4 м и более.

В зависимости от глубины залегания вечномерзлого грунта се­зонный мерзлый слой может отделяться от него слоем талого грунта или эти слои будут сливаться.

Значительная часть вечномерзлых грунтов находится вльдона- сышенном состоянии или же содержит в себе отдельные включе­ния льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные фунты, которые, обладая высокой не­сущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий.

В районах вечной мерзлоты встречаются также пучинистые грун­ты, располагаемые в толще деятельного слоя, а также наледи, кото­рые могут оказывать разрушающее действие на здания. Пучинистые фунты при сезонном замерзании деятельного слоя могут подвергнуть фундаменты выпучиванию.

Наледи представляют собой вспучивание почвы в виде буфов значительных размеров. Их образование происходит за счет сезон­ного промерзания надмерзлотных грунтовых вод с последующим аккумулированием большого количествальда. Иногда поддсйстви- ем внутренней напряженной воды и льда верхние слои грунта про­рываются, а вода, замерзая, создает сплошные наледи, способные заливать и разрушать постройки.

При строительстве на территориях с вечномерзлыми фунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строитель­ства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не под­вергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.

В зависимости от геологических, гидрогеологических и клима­тических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:

возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы, не имеющие значитсльныхтрсщин, заполненных льдом или мерзлым грунтом. Здесь вечная мерзлота не имеет практи­ческого значения.

Если глубина залегания таких оснований до 3 м, то фундаменты устраивают обычные; если глубина 3—4 м — железобетонные столб­чатые или свайные, а при глубине более 4м — свайные с заглубле­нием свай в толщину ненарушенной структуры путем устройства буровых скважин.

При строительстве на трещиноватых смерзшихся коренных по­родах прочность основания усиливают путем бурения скважин и нагнетания в них под давлением пара для оттаивания льда и разо­грева толщи грунта до 50 «С, после этого сразу нагнетают в трещины под давлением цементный раствор, который затвердевает до охлаж­дения толщи грунта. Этот же метод используют при строительстве на таликах достаточной мощности при отсутствии в них вечномерз- лых включений;

сохранение грунтов основания в вечномерзяом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасы- щенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым темпе­ратурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодно­го подполья высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более.

Для проветривания подполья в цоколе устраивают продухи, позволяющие регулировать поступления воздуха в зависимости от времени года;

• оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при от­таивании. Для того чтобы обеспечить медленное и равномерное оттаивание грунта, рекомендуется глуби ну заложения принимать минимальной (но не менее конструктивной) в случае, если деятельный слой не состоит из пучинистых грунтов, а также заменять деятельный слой грунта, если он включает пучинис- тые породы.

При таком методе обеспечивается общая жесткость здания (пу­тем устройства непрерывных железобетонных поясов, замоноличен- ных швов и др.);

• предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключа­ется восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов. Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в ре­зультате всестороннего технико-экономического анализа.

При проектировании производственных зданий предпочтение следует отдавать их блокировке в единые корпуса. Наиболее целе­сообразно возводить большепролетные здания с размещением обо­рудования на этажерках, которые не связаны с каркасом здания.

Для ограждающих конструкций применяют слоистые элементы из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уде­лять воздухонепроницаемости конструкций — в местах соединения элементов и в стыках панелей.

Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 3397 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Строительство в районах многолетней мерзлоты

Особенности строительства в зоне многолетней мерзлоты.Строительство зданий и сооружений на юге, где температура воздуха не опускается ниже 5 градусов и строительство в Сибири различаются. Здесь надо учитывать множество различных факторов. Здания, сооруженные без учета многолетней мерзлоты, могут через некоторое время прийти в негодность. Происходит это потому, что летом земля прогревается неравномерно на несколько десятков сантиметров. При таянии грунт становится влажным, подчас текучим. Он оседает, расползается. Та часть здания, под которой грунт размяк, оседает. Зимой почва снова замерзает, влажный грунт вспучивается и здание перекашивается, а иногда и разрушается.

Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена. За последние годы на севере и востоке нашей страны построены сотни городов и поселков. Многие из них стоят на многолетней мерзлоте, стоят прочно, на века. Вспомним хотя бы такой город, как Норильск, построенный за Полярным кругом. Улицы Норильска застроены многоэтажными зданиями. В городе сооружены заводы, школы, больницы, кинотеатры, жилые дома.

Здания эти стоят уже многие годы, возведенные на своеобразных «курьих ножках» железобетонных сваях-стойках. Нижняя часть их уходит вглубь, в слой вечной мерзлоты, а над поверхностью земли они возвышаются не более чем на метр. Воздух свободно проходит под зданием. Грунт зимой замерзает, летом оттаивает, но на здании это не отражается, так как железобетонные сваи прочно вмерзли своими основаниями в слой многолетней мерзлоты, и она держит их, как клещами. Город Норильск соединен железной дорогой с портовым городом Дудинкой, выросшим на берегах сибирской реки Енисей. Эта железная дорога самая северная на земном шаре. В зоне многолетней мерзлоты построены сотни рудников, дающих нашей стране уголь, полиметаллические руды, олово, золото, алмазы и много других ценных полезных ископаемых. Север — громадный край, скованный многолетней мерзлотой,— преображается, раскрывает свои богатства.

При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строительства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не подвергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.

В зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:

возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы, не имеющие значительных трeщин, заполненных льдом или мерзлым грунтом. Здесь вечная мерзлота не имеет практического значения.

Если глубина залегания таких оснований до 3 м, то фундаменты устраивают обычные; если глубина 3-4 м – железобетонные столбчатые или свайные, а при глубине более 4м – свайные с заглублением свай в толщину ненарушенной структуры путем устройства буровых скважин.

При строительстве на трещиноватых смерзшихся коренных породах прочность основания усиливают путем бурения скважин и нагнетания в них под давлением пара для оттаивания льда и разогрева толщи грунта до 50 °С, после этого сразу нагнетают в трещины под давлением цементный раствор, который затвердевает до охлаждения толщи грунта. Этот же метод используют при строительстве на таликах достаточной мощности при отсутствии в них вечномерзлых включений;

сохранение грунтов основания в вечномерзлом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасыщенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым температурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодного подполья высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более.

Для проветривания подполья в цоколе устраивают продухи, позволяющие регулировать поступления воздуха в зависимости от времени года;

оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при оттаивании. Для того чтобы обеспечить медленное и равномерное оттаивание грунта, рекомендуется глубину заложения принимать минимальной (но не менее конструктивной) в случае, если деятельный слой не состоит из пучинистых грунтов, а также заменять деятельный слой грунта, если он включает пучинистые породы.

При таком методе обеспечивается общая жесткость здания (путем устройства непрерывных железобетонных поясов, замоноличенных швов и др.);

предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключается восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов. Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в результате всестороннего технико-экономического анализа.

При проектировании производственных зданий предпочтение следует отдавать их блокировке в единые корпуса. Наиболее целесообразно возводить большепролетные здания с размещением оборудования на этажерках, которые не связаны с каркасом здания.

Для ограждающих конструкций применяют слоистые элементы из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уделять воздухонепроницаемости конструкций – в местах соединения элементов и в стыках панелей.

Вечномерзлые грунты в основании фундаментов глубокого заложения опор с ростверком или безростверковых рекомендуется использовать по принципу I при соблюдении следующих условий и требований:

— вечномерзлые грунты должны быть преимущественно сливающегося типа, температура которых в течение всего периода эксплуатации моста не будет превышать значений, принятых в расчетах несущей способности основания;

— в местах сильных снежных заносов продольный профиль дороги должен обеспечивать в пределах перехода наличие просвета под мостом, как правило, не менее 3,5 м;

— русло в месте мостового перехода следует запроектировать таким образом, чтобы свести к минимуму возможность образования наледей и термокарста, для чего необходимо обеспечить максимальную сохранность поверхностного слоя грунта в пределах меженной части русла и сосредоточенный пропуск вод под мостом, используя для этой цели при необходимости лотки или другие устройства. При недостаточности таких мер рекомендуется с верховой стороны моста на расстоянии 50-100 м осуществить перехват подруслового потока, например, с помощью мерзлотной завесы, устраиваемой с использованием охлаждающих устройств. Для предотвращения появления термокарста следует предусмотреть меры по исключению возможности длительного застоя воды вдоль насыпи и под мостом, а также существенного повреждения мохорастительного покрова в зоне мостового перехода;

— дно русла в местах возможного его значительного размыва должно быть укреплено на длине не менее 15 м в верховую и низовую стороны от оси малого моста;

— промежуточные опоры рекомендуется по возможности размещать вне пределов меженного русла;

— свайные элементы (сваи разных типов) фундаментов следует заделывать в мерзлые грунты ниже уровня максимально возможного их оттаивания на глубину, обеспечивающую восприятие расчетных нагрузок, включая силы морозного выпучивания;

— низ свайных элементов необходимо располагать не менее чем на 4 м выше поверхности подземного льда или сильнольдистых грунтов. Если это условие невыполнимо, такие грунты должны быть прорезаны свайными элементами, а при невозможности этого — решение об использовании сильнольдистых грунтов в качестве оснований следует принимать индивидуально.

В качестве основания фундаментов, используемого по принципу II, пригодны любые вечномерзлые крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности пески, твердые, полутвердые и тугопластичные глинистые грунты, а также другие малосжимаемые при оттаивании грунты (характеризуемые относительной осадкой при оттаивании не более 0,03) при условии обеспечения предусмотренной проектом опор несущей способности оснований и перемещений верха опор в пределах нормированных допусков.

В основаниях фундаментов твердомерзлые грунты следует использовать преимущественно по принципу I. При этом для фундаментов железнодорожных мостов необходимо обеспечить на весь период эксплуатации температуры мерзлых грунтов основания на 0,5 °С ниже расчетных температур для песков и супесей и на 1 °С — для суглинков и глин.

Пластично-мерзлые грунты в основаниях фундаментов следует использовать, как правило, по принципу II. В случае технико-экономической нецелесообразности такого решения допускается использовать эти грунты по принципу I (для железнодорожных мостов в опытном порядке), если в течение всего периода эксплуатации сооружения с помощью комплекса мер (например, охлаждающих устройств, каменных набросок, проветриваемых полостей и других мероприятий) будет сохранена температура грунтов не выше принятой в расчетах несущей способности по прочности и деформативности основания.

При этом количество охлаждающих установок следует назначать с учетом коэффициента надежности, равного 2.

Вечномерзлые грунты в основании фундаментов малого моста, как правило, следует использовать по одному принципу, не допускается опирания их частично на мерзлые и частично на немерзлые или оттаивающие грунты.

При значительном количестве опор большого моста допускается применение двух принципов для грунтов основания фундаментов соседних опор с учетом требований нормативов. Для грунтов основания фундамента каждой отдельной опоры совместное использование двух принципов не допускается.

Источник

Как строить на «вечной мерзлоте»

Мерзлота впервые была описана ещё русскими землепроходцами Сибири, а её систематическое изучение началось с 90-х годов XIX века, в связи со строительством железных дорог. При Русском географическом обществе в Петербурге тогда же была создана комиссия для изучения мёрзлых пород, куда входили И.В. Мушкетов, А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Рыкачев, К.И. Богданович. В 1929 г. по инициативе М.И. Сумгина и при поддержке В.И. Вернадского в Академии наук СССР была организована Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством В.А. Обручева, а в 1939 г. – на её базе Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева АН СССР в Москве, который включал мерзлотные станции в Арктике и Сибири.

При освоении территорий с вечной мерзлотой возникают различные воздействия на окружающую среду и здания и инженерные сооружения. Во-первых, обычно происходит масштабное воздействие на природные условия в целом, изменяющие микроклимат, растительный покров, режим поверхностных и подземных вод, влажность и состав слоя сезонного протаивания и другие. Это приводит к изменению температур горных пород, глубины оттаивающего летом слоя, положения кровли и подошвы мерзлоты. Изменяются гидрологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, биосфера региона. Таким образом, возводить здания и инженерные сооружения приходится в иной обстановке, чем та, что была до возникновения нарушений, при проведении инженерных изысканий для строительства. Это необходимо учитывать, выполняя прогноз мерзлотных условий района освоения. Во-вторых, различные виды хозяйственного освоения территорий криолитозоны при различных видах строительства (гражданского, промышленного, линейного, гидротехнического) – для целей горнодобывающей промышленности и подземного строительства, развития сельского хозяйства – подразумевают различные виды воздействия на мёрзлые породы и, соответственно, различную их реакцию, что также необходимо учитывать при прогнозе мерзлотных условий. Такой мерзлотный прогноз выполняется на основе инженерных изысканий и научно-исследовательских работ, включающих оценку существующих условий на территории, возможных техногенных воздействий, тепловые расчёты и моделирование температурного режима горных пород, разработку защитных и природоохранных мероприятий. Это нужно выполнять ещё до начала капитального строительства.

По мнению выдающегося геокриолога В.А. Кудрявцева, основателя кафедры геокриологии в МГУ, при этом недостаточно описать существующие мерзлотные условия, «фотографию», по его выражению. Мало лишь измерить температуру в скважинах, которая регистрируется там сегодня, потому что она изменяется. Необходимо выявить закономерности формирования и развития вечной мерзлоты и сезонного оттаивания, оценить роль различных природных факторов, влияющих на температурный режим горных пород. Например, снег имеет выраженное отепляющее влияние, и при сокращении мощности снежного покрова будет наблюдаться понижение температур грунтов, и наоборот. Растительные напочвенные покровы, наоборот, как правило, охлаждают грунты, и при их нарушении, скажем, гусеничной техникой, происходит повышение температур грунтов, оттаивание мерзлоты, термокарст и другие неблагоприятные процессы. Затем следует использовать эти закономерности при составлении мерзлотного прогноза.

Первые сведения об способах возведения сооружений на вечной мерзлоте приведены в 1876 г. в работе инженера И.А. Лопатина, а затем этот вопрос был изучен профессором Николаевской инженерной академии В.П. Стаценко в 1922 г., который и предложил впервые для сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии устраивать проветриваемые подполья. Что касается свай, то ещё в 1907 г. Н.А. Белелюбский применил их при сооружении моста на Екатерининской железной дороге. Эффективный способ изготовления бетонных свай был предложен русским инженером А.Э. Страусом – так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись непосредственно в буровой скважине, в том числе с арматурным каркасом. Сваи Страуса получили распространение в том числе за границей и применяются до сих пор. Сегодня на таких сваях построено, и продолжает строиться значительное количество инженерных сооружений в китайском Тибете.

В Якутске в 1932–1936 гг. впервые была построена Центральная электростанция на фундаментах в виде колонн с башмаками и проветриваемым подпольем, консультировал строительство выдающийся мерзлотовед Н.А. Цытович. Интересно, что в проектировании принимали участие специалисты как Советского Союза, так и иностранные инженеры. Мировая практика ещё не знала такого крупного строительства в условиях вечной мерзлоты, вдали от промышленных районов. Консультант по строительству Днепрогэса Х. Купер отмечал, что проект имел проблемы, «из решения, которых технический мир почерпнул много поучительного».

Сегодня сваи применяются и на магистральных трубопроводах на территории Сибири и в Северной Америке. На территории распространения мерзлоты допускается применение трёх видов прокладки: подземной, наземной в насыпи и надземной.

Однако наземный способ прокладки трубопроводов часто не реализуется из-за высокого риска отказов, прежде всего из-за оттаивания в летнее время, которое приводит к погружению трубопровода. С другой стороны, для нефтепроводов часто другой вариант невозможен, из-за высокой температуры нефти и возможности оттаивания мерзлоты. Поэтому их устанавливают на сваи, как большую часть Трансаляскинского нефтепровода в США. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонноталого слоя применяют установку термостабилизаторов – сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Термостабилизатор (термосифон) – сегодня важная часть многих проектов в криолитозоне. Он работает по принципу переноса зимой естественного холода в основание фундамента и пассивного состояния летом. Когда впервые его придумали в Америке, использовалась обычная труба с керосином. Зимой верхняя часть трубы охлаждается, холодный керосин опускается вниз и понижает температуру грунтов, а летом такой циркуляции нет. Сейчас совершенствуются технологии устройства, увеличивается их эффективность, применяется аммиак, углекислый газ. В Тюмени создано большое предприятие по производству термостабилизаторов «Фундаментстройаркос», которое активно работает в Российской Арктике.

Технологии совершенствуются и в строительстве, изменяется материал свай, его шероховатость, конструкции, способы установки, но принцип, так называемый I принцип строительства на вечномерзлых грунтах, в большинстве случаев остаётся – сохранение грунтов в мёрзлом состоянии. Впрочем, обеспечить мерзлое состояние оснований бывает сложным делом, особенно на территории застройки, если наблюдается снегонакопление или нарушение поверхностного стока.

Впрочем, иногда может применяться и II принцип – с предварительным оттаиванием, например, если по прогнозу мерзлота рано или поздно оттает, следовательно, лучше это каким-то образом сделать ещё до строительства, или даже в процессе эксплуатации, если здание допускает деформации, и в этом случае основание также будет устойчивым. Необходимо быть осторожным при использовании этого принципа, осадки грунтов при оттаивании могут быть неожиданно велики, а их прогноз непрост.

Есть и промежуточный вариант – в частности, так называемый «метод стабилизации», если состояние частично опущенной кровли мерзлоты методами тепловой мелиорации поддерживается в стабильном состоянии. При этом необходим тщательный мерзлотный прогноз и контроль за состоянием основания.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Источник