Фундаменты на вечномерзлых грунтах

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11

На значительной части территории России распространены веч-номерзлые грунты, залегающие на глубине от 0, 5 до 4, 5 м и имеющие толщу мощностью от нескольких метров до 1, 5 км.

Вечно мерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии (имеют отрицательную температуру и лед в своем составе) в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры. При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Оттаивание и промерзание грунта, как правило, происходит ежегодно в слое сезонного оттаивания или промерзания (деятельном слое), находящемся в верхней зоне основания над толщей вечно-мерзлых грунтов.

Проектирование фундаментов, устраиваемых в районах распространения вечномерзлых грунтов, является очень сложной задачей, правильное решение которой возможно только с учетом процессов, происходящих в деятельном слое и слое вечномерзлого грунта. Неправильный учет этих процессов и характера их протекания часто приводит к недопустимым деформациям зданий и сооружений, а в некоторых случаях служит причиной их полного разрушения.

Процессы, происходящие в слое сезонного промерзания и оттаивания, а также в слое вечномерзлого грунта. В деятельном слое грунта, оттаивающем и промерзающем в результате ежегодного изменения климатических условий, происходят следующие процессы:

1. Колебания температуры в пределах толщины деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта, которые фиксируются в результате систематического измерения на определенных глубинах в скважинах. Наибольшим колебаниям подвержен верхний слой, с глубиной они уменьшаются и ниже некоторой границы температура практически не меняется. Эту границу называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры (рис. 13.7, а).

2. Промерзание и оттаивание грунтов, залегающих выше границы оттаивания (рис. 13.7, а). Если в результате промерзания деятельный слой сливается с вечномерзлым грунтом, то промерзание происходит одновременно снизу и сверху, если нет, то промерзание происходит сверху вниз и имеется слой непромерзшего грунта, располагаемого между вечномерзлым грунтом и замерзшим грунтом верхнего деятельного слоя. Оттаивание происходит всегда сверху вниз.

Рис. 13.7. Схемы вечномерзлого грунта и деятельного слоя: 1 — деятельный слой; 2 — граница оттаивания; 3 — слой вечномерзлого грунта; 4 — граница нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры; 5 — промерзший слой грунта; 6 — непро-мерзший водоносный слой грунта; 7 — грунтовая наледь; 8 — направление движения подземных вод по склону

3. Морозное пучение грунта происходит во влажных пылевато-глинистых грунтах и пылеватых песках в результате промерзания, которое связано с увеличением, объема воды при замерзании и перемещением воды к фронту промерзания из нижних горизонтов. В случае сливающегося деятельного слоя пучение незначительно и не превышает 3% от толщины деятельного слоя. Пучение может быть значительным и приводить к выпучиванию фундаментов, недостаточно заделанных в вечномерзлом грунте, если грунт не промерзает до границы слоя вечномерзлых грунтов и происходит миграция надмерзлотных вод в зону промерзания.

4. Образование грунтовых наледей происходит при уклоне местности, когда надмерзлотные воды, перемещаясь вниз (рис 13.7, б) по склону, начинают скапливаться между промерзшим слоем 5 и слоем вечномерзлого грунта 3, увеличивая тем самым давление в слое оттаявшего грунта б, в результате чего может произойти разрыв промерзшего слоя с последующим вытеканием воды через трещину и образованием грунтовой наледи.

5. Образование морозобойных трещин в результате уменьшения объема при понижении температуры. Уменьшение объема приводит к опусканию поверхности грунта и появлению горизонтальных растягивающих усилий, развитию которых способствует выгиб промерзшего слоя вследствие более низких температур у поверхности по сравнению с нижней зоной промерзания, что вызывает более сильное сжатие поверхности грунта при меньшем его значении у нижней границы зоны промерзания. Развитию выгиба грунта препятствует момент от его собственного веса. Морозобойные трещины оказывают вредное воздействие на подземные коммуникации (трубопроводы, силовые кабели и др.).

6. Солифлюкция или медленное сползание грунта по склонам, при наличии пучинистых грунтов происходит в результате смещения частиц вверх при развитии пучения при промерзании (из точки Л в точку А’ — на рис. 13.7, в) и вниз (из точки А’ в точку Б) — при оттаивании под действием собственного веса.

7. Поверхностные оползни в результате увлажнения грунта при оттаивании, его сдвиге и сползании по слою вечномерзлого грунта.
Одновременно с перечисленными выше явлениями, происходящими в деятельном слое грунта, следует учитывать и процессы, протекающие в подстилающем слое вечномерзлых грунтов:
1. Колебания температуры в результате ежегодного изменения от точки, соответствующей началу замерзания (в летний период), до некоторого отрицательного значения (в зимний период), происходящих в верхней зоне слоя вечномерзлого грунта при сливающемся деятельном слое.
2. Образование морозобойных трещин и клиньев льда. Морозобойные трещины, образовавшиеся в результате колебаний температуры в деятельном слое грунта, продолжаются и в вечномерзлом, однако их ширина раскрытия здесь значительно меньше, тем не менее они приводят к образованию и росту клиньев льда. В весенний период времени вода по морозобойным трещинам, попадая в вечномерзлый грунт, замерзает, превращаясь в лед. Известно, что морозобойные трещины образуются, как правило, в одном и том же месте, в связи с этим ежегодно в грунте поступает некоторое количество влаги, превращающейся в клинья льда.
3. Возникновение термокарстовых просадок в результате интенсивного таяния вечномерзлого грунта вместе с имеющимися в нем включениями льда, в том числе и клиньев льда, обусловленного даже незначительным проникновением тепла в грунт. Это приводит к значительным просадкам часто на несколько метров, а отсутствие стока воды на данном участке территории вызывает образование термокарстового озера, способствующего еще большему протаива-нию грунта.
4. Увеличение глубины оттаивания грунтов вследствие увеличивающейся застройки городской территории, приводящей к росту просадок поверхности грунта из-за изменения температурного режима и выделения дополнительного тепла в результате бытовой н производственной деятельности людей.
Следовательно, в пределах деятельного слоя и слоя вечномерзлых грунтов одновременно протекает много процессов, комплексный учет которых необходим при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов.

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружении. В настоящее время при проектировании и строительстве зданий и сооружений на основаниях, состоящих из вечномерзлых грунтов, существует два принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований:
I принцип — вечно мерзлое состояние грунта основания сохраняют в течение всего периода строительства и эксплуатации здания или сооружения;
II принцип — вечномерзлые грунты оснований используют в оттаявшем состоянии с оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения или в процессе эксплуатации здания.

Принцип I применяют в случае, когда грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие такое состояние. Это возможно при следующих конструктивных решениях:
а) возведение зданий и сооружений на подсыпках (рис. 13.8, а) и теплоизоляцию поверхности (рис. 13.8, б); используют при относительно нешироких зданиях (до 10 м), так как в этих случаях грунт охлаждается за счет поступления холода с боков и обеспечивается снижение поступления тепла в грунт от существующего здания;
б) устройство вентилируемых подполий (рис. 13.8, в) особенно целесообразно при возведении жилых, общественных и гражданских зданий; чаще всего предусматривают свободно проветриваемое подполье с поднятием полов первого этажа на перекрытия, располагаемые над поверхностью земли; по боковым граням в стене устраивают продухи для свободной циркуляции воздуха, а в подполье — разводку трубопроводов;
в) устройство холодных первых этажей (рис. 13.8, г), предусматриваемых вместо холодных подполий, если это целесообразно по технологическим требованиям и обусловлено теплотехническим расчетом, причем их высота должна быть не менее 1 м;
г) использование охлаждающих каналов и труб (рис. 13.8, д) для тяжелых зданий и сооружений со значительными нагрузками наполы или при нецелесообразности устройства подполий; иногда используют комплексное решение: охлаждающие трубы и каналы в сочетании с вентилируемым подпольем;
д) использование саморегулирующих охлаждающих устройств (рис. 13.8, е), которые с помощью искусственного охлаждения, получаемого в результате циркуляции специального газа (фреона) или жидкости (керосина), понижают температуру окружающего грунта. Чаще всего данный метод исцользуют как вспомогательное средство для обеспечения заданного температурного режима вечномерзлых грунтов или создания заслонов промерзшего грунта для зашиты от теплового влияния соседних здании и подземных вод.

При строительстве оснований и фундаментов по принципу необходимо использовать мероприятия, исключающие проникновение тепла в грунт, и обеспечивать охлаждение поверхности грунта под зданием или около него.

Как правило, при возведении фундамента по принципу применяют свайные фундаменты, допускается также использование железобетонных столбчатых фундаментов и монолитных бетонных.

Рис. 13.8. Схемы устройства фундаментов для сохранения в основании вечномерз-
лого состояния грунтов: 1 — граница слоя вечномерзлого грунта; 2 — деятельный слой; 3 — насыпной грунт; 4 — теплоизоляция; 5 — вечномерзлый грунт; 6 — вентилируемое подполье; 7 — неотапливаемый первый этаж; 8 — сваи; 9 — вентиляционные каналы, охлаждающие грунт; 10 — замораживающие колонки

Принцип II применяют при наличии вечыомерзлых грунтов, деформации которых при оттаивании не превышают предельно допустимых для проектируемых зданий, а также при несплошном залегании вечномерзлых грунтов и неодинаковой глубине их залегания от поверхности и в тех случаях, когда принцип II оказывается экономически более целесообразным.

Возведение фундаментов по принципу II допускает оттаивание грунта, поэтому при эксплуатации зданий и сооружений следует Учитывать возможность возникновения неравномерных осадок, что требует выполнения мероприятий по уменьшению деформаций основания или приспособления конструкций зданий к воспринятию дополнительных осадок.

Мероприятия по уменьшению деформации основания сводятся к следующим:
а) предварительное искусственное оттаивание веч-номерзлого грунта на заданную глубину до возведения здания с последующим уплотнением или закреплением оттаявшего грунта (если в этом есть необходимость);
б) полная замена льдонасыщенного грунта песчаным или крупнообломочным грунтом;
в) увеличение глубины заложения фундаментов;
г) регулирование глубины оттаивания грунта основания в процессе эксплуатации сооружения. Оно осуществляется с помощью теплоизоляции по грунту и устройства электронагревателей или обогревающих трубопроводов у фундаментов (рис. 13.9, а), а также устройства наружных стен на консолях, с отнесением фундаментов наружных стен внутрь здания (рис. 13.9, б). Последнее решение используют для уравновешивания неравномерности осадок между наружными и внутренними фундаментами, так как осадки последних всегда больше.

Рис. 13.9. Схемы регулирования процесса оттаивания под зданием: 1 — вечномералый грунт; 2 — верхняя граница вечиомерэлого грунта; 3 — то же, в промежуточном состоянии; 4 — оттаявший грунт; S — обогревающий трубопровод; 6 — консоль

Мероприятия по приспособлению конструкций зданий к воспринятию дополнительных осадок разделяют на два основных типа:
а) повышение общей пространственной жесткости и прочности здания и сооружения, обеспечиваемое с помощью устройства армо-кирпичных и железобетонных поясов, усиления армирования конструкций, фундаментов и несущих конструкций подвалов, замоноли-чивания сборных элементов перекрытий; применения монолитных и сборно-монолитных плитных и ленточных фундаментов из перекрестных лент, дополнительной разрезки зданий и сооружений на отдельные отсеки с помощью деформационных швов; применения свайных фундаментов, фундаментов глубокого заложения и т. п.;
б) увеличение гибкости и податливости сооружений с помощью гибких и разрезных конструкций.

Для оттаивания вечномерзлых грунтов используют электропрогрев, гидрооттаивание и паровые иглы. Применение последних хотя и обеспечивает максимальную скорость оттаивания, однако вызывает в некоторых случаях дополнительное увлажнение грунтов, что иногда оказывает неблагоприятное влияние на их свойства. Оттаявшую толщу грунта, как правило, уплотняют.

Методы устройства фундаментов них конструкции. При проектировании и строительстве фундаментов по принципу I целесообразно максимально возможное их заглубление, это объясняется возможностью оттаивания верхнего слоя грунта в силу каких-либо случайных факторов. Выбор рациональной конструкции фундамента зависит от внешних нагрузок, а также температурных условий грунтов основания, которыми во многом определяется несущая способность мерзлого грунта.

Основным типом фундаментов, применяемых при строительстве по принципу I, являются свайные фундаменты. По способу погружения в вечномерзлый грунт сваи подразделяют на:
буроопускные (рис. 13.10, а), для устройства которых пробуривают скважины, имеющие диаметр, превышающий на 5 см и более наибольший размер поперечного сечения сваи. Перед погружением сваи полость скважины примерно на одну треть заполняют грунтовым раствором из мелкого или пылеватого песка, который после погружения сваи заполняет всю полость между сваей и мерзлым грунтом с последующим относительно быстрым замерзанием;
сваи бурозабивные (рис. 13.10, б), которые погружаются с помощью забивки в предварительно пробуренные скважины (лидеры), имеющие диаметр на 1..2 см меньше, чем размер поперечного сечения сваи. Этот тип свай применяют в пластично-мерзлых грунтах;
опускные (рис. 13.10, в), погружаемые в предварительно оттаиваемый грунт с помощью забивки. Оттаивание осуществляется с помощью паровых игл, причем объем оттаявшего грунта должен бьпъ минимальным, чтобы обеспечивалось его быстрое замерзание.

Рис. 13.10. Методы погружения в слой вечномерзлого грунта: 1 — скважина; 2 — свая; 3 — граница слоя вечномерзлого грунта; 4 — грунтовый раствор; 5 — оттаявший грунт

Другие типы фундаментов, передающие нагрузки на сохраняемый слой вечномерзлого грунта, используют реже, так как их Устройство требует значительных средств и затрат ручного труда для сохранения вечномерзлого состояния грунтов при разработке котлованов и устройстве фундаментов.

с При необходимости передачи значительных нагрузок на грунты оснований, сложенных вечномерзлыми грунтами, применяют столбчатые фундаменты. Их устраивают в предварительно пробуренных скважинах диаметром 0, 8…1, 2 м и более, в которые нагнетается бетонная смесь с прогреванием для обеспечения твердения до требуемой прочности. Режим прогревания требуется назначать таким, чтобы обеспечить минимальное оттаивание грунтов вокруг фундамента.
В настоящее время фундаменты зданий и сооружений на веч-номерзлых грунтах очень часто устраивают по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунтов). Применение свайных фундаментов может оказаться целесообразным, - если сваи прорезают толщу оттаявшего грунта и погружаются в слой грунта, не проявляющего просадочных свойств при оттаивании (рис. 13.11, а), ниш доводятся до слоя скального грунта. Иногда длинные сваи применяют для передачи давления на вечномерзлые грунты, которые располагаются ниже зоны оттаивания, образующейся в результате выделения тепла от здания (рис. 13.11, 6). В обоих упомянутых случаях при расчете свай следует учитывать влияние отрицательного трения, увеличивающего нагрузку на сваи.

Рис. 13.11. Свайные фундаменты при устройстве фундаментов но принципу II:
1 — свая; 2 — граница вечномерзлого грунта; 3 — неоросадрчный слой плотного грунта

При использовании других типов фундаментов, в том числе и фундаментов в открытых котлованах, следует учитывать малую прочность и большую деформативность оттаявших грунтов, а при возможности развития значительных неравномерных осадок использовать мероприятия, направленные на уменьшение вредного влияния последних (устройство перекрестных ленточных фундаментов, сплошных фундаментов, искусственное улучшение свойств оснований и т. п.). Проектирование и устройство фундаментов в данном случае осуществляются как для фундаментов в условиях обычного сезонного промерзания.

На фундаменты, возводимые по принципу II, при промерзании грунтов действуют значительные силы пучения, влияние которых снижают с помощью применения фундаментов анкерного типа или уменьшения площади контакта с промерзающим грунтом, располагая в верхней части фундамента наименьшее поперечное сечение.

В некоторых случаях для уменьшения сил морозного пучения в пределах зоны промерзания фундаменты покрывают незамерзающими обмазками на основе битумных материалов. Реже применяют эпоксидные смолы, которые делают гладкой поверхность смерзания и уменьшают силы пучения.

Значительного снижения сил морозного пучения можно добиться за счет обсыпки фундаментов непучинистыми материалами (гравием или песком), однако в этом случае обсыпки следует дренировать и защищать от заиления, так как оно существенно увеличивает пучинистость грунтов.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 1011