Вечномерзлый грунт

    В районах с отрицательной среднегодовой  температурой при строительстве  на площадках, не имеющих слоя вечномерзлых грунтов, фундаменты проектируют и строят как в районах с сезонным промерзанием грунтов. Дополнительно принимают меры по исключению образования в основании сооружений линз мерзлого грунта как в период строительства, так и во время эксплуатации.

    Если  вечномерзлые грунты залегают лишь под частью проектируемого здания, то грунты основания либо предварительно искусственно замораживают и тогда проектируют фундаменты по принципу I, либо, наоборот, оттаивают и строят здание как на талых грунтах.

    Сохранение  вечномерзлого состояния грунтов в основании зданий при проектировании и строительстве по принципу I обычно обеспечивается следующими приемами:

• возведением зданий на подсыпках (рис. 6, а);
• теплоизоляцией поверхности грунта под полом здания (рис. 6, б);
• устройством вентилируемых подполий (рис. 6, в);
• расположением в 1-м этаже зданий неотапливаемых помещений (рис. 6, г) 
• прокладкой под полом здания охлаждающих вентиляционных каналов (рис. 6, д);
• искусственным охлаждением грунтов с помощью специальных установок (например, замораживающие колонки на рис. 6, е).

    Возведение  зданий на подсыпках и с теплоизоляцией поверхности и грунта применимо  при сравнительно небольшой ширине зданий (в основном до 10 м). Эти приемы строительства рассчитаны на охлаждение массива грунта основания с боков. Если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании.

Рис. 6. Схемы устройств  для сохранения в  основании вечномерзлого  состояния грунтов

1 — вечномерзлый грунт; 2 — верхняя граница слоя вечномерзлого грунта; 3 —деятельный слой; 4 — насыпной непучинистый грунт; 5 — теплоизоляция; 6 —вентилируемое подполье; 7 — сваи; 8 — неотапливаемый I этаж; 9 — вентиляционные каналы, охлаждающие грунты воздухом; 10 — замораживающие колонки

    Наиболее  эффективно устройство охлаждаемых  вентилируемых подполий (см. рис. 6, в). Такой прием целесообразен при  возведении жилых, общественных и промышленных зданий. При этом все чаще устраивают свободно проветриваемое подполье, поднимая рандбалку над поверхностью земли. В некоторых случаях по архитектурным соображениям подполье закрывают, оставляя в его стенах отверстия (продухи). Подполье служит одновременно местом для разводки труб водопровода, канализации, теплофикации и газа, которые подвешивают к перекрытию.

    Для предотвращения застаивания воды в  подполье глинобитный пол в нем  делают выше отмосток с уклонами наружу. Кроме того, под трубопроводами располагают  лотки для отвода аварийных вод за пределы здания.

    Вследствие  температурных колебаний рандбалки в подпольях периодически удлиняются и укорачиваются. При небольшом возвышении над поверхностью земли сравнительно жестких верхних частей фундаментов это приводит к разрушению их косыми трещинами. Для исключения таких разрушений надземную часть фундаментов рекомендуется устраивать гибкой, по возможности небольшого сечения и наибольшей высоты. Кроме того, рандбалки делают разрезной конструкции.

    При устройстве низких продухов они могут  быть занесены снегом, что исключит вентиляцию подполий. К постепенному уменьшению продухов и затруднению вентиляции подполья может привести также периодический ремонт покрытия панели около здания с поднятием ее отметки.

    Особое  внимание должно быть уделено прокладке  по улицам трубопроводов, выделяющих тепло (теплофикации, водопровода, канализации). Их целесообразно прокладывать в проходных вентилируемых тоннелях (коллекторах): внутриквартальную сеть иногда прокладывают в надземных каналах. Короче говоря, при сохранении вечномерзлого состояния грунтов в основании надо принимать все меры, исключающие проникание тепла в грунт и обеспечивающие охлаждение поверхности грунтов под зданием и около него.

    Неотапливаемые  помещения, располагаемые в 1-м этаже, выполняют роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения их стены 1-го этажа делают из теплопроводного материала, а окна — с одинарным остеклением. Недопустимо расположение здесь утепленных помещений, а также укладка на зиму непосредственно на пол каких-либо материалов.

    В производственных зданиях с большими нагрузками на пол, а также при больших размерах этих зданий в плане приходится устраивать под полом вентиляционные каналы (см. рис. 6, д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов саморегулирующими колонками или специальными холодильными установками с замораживающими колонками.

    В некоторых случаях сохранение вечномерзлого  состояния грунтов в основании  обеспечивают устройством свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. Такое решение может сопровождаться укладкой теплоизоляции под полом отапливаемого здания, что существенно уменьшает глубину оттаивания. Кроме того, нельзя допускать проникания теплой воды в грунты основания, поскольку это вызывает местное оттаивание грунтов.

    По  принципу II проектирования и строительства  фундаментов оттаивание грунтов  в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.

    Допуская  оттаивание грунтов в основании  во время эксплуатации зданий, всегда следует считаться с возможностью возникновения дополнительных просадок. Дополнительные просадки фундаментов зданий иногда наблюдались при оттаивании даже трещиноватой скальной породы и крупнообломочных грунтов. В связи с этим при проектировании и строительстве фундаментов по принципу II необходимо возводить здания из конструкций, малочувствительных к неравномерным осадкам, а в некоторых случаях предусматривать возможность регулирования процесса оттаивания. Поскольку наиболее опасны неравномерности осадок, необходимо так проектировать здания, чтобы тепловое влияние их развивалось примерно равномерно под всеми фундаментами. Обычно наибольшая неравномерность наблюдается между осадками фундаментов внутренних конструкций (стен и колонн) и фундаментов наружных стен, особенно если последние имеют выносы наружу. В связи с этим целесообразно фундаменты наружных стен относить внутрь здания и возводить наружные стены и колонны на консолях (рис. 7, а) или во время оттаивания грунтов основания обогревать грунт около здания (рис. 7, б).

    Рис. 7. Схемы регулирования  процесса оттаивания основания под  зданием

1 - вечномерзлый грунт; 2 - верхняя граница слоя вечномерзлого грунта в конце процесса оттаивания; 3 - то же, в промежуточных состояниях; 4 - оттаявший грунт; 5 - консоль; 6 - обогревающий трубопровод

    Если  вечномерзлые грунты содержат включения  льда даже в виде миллиметровых прослоев, использование их в основании с оттаиванием в процессе эксплуатации небезопасно. Малейшая неравномерность оттаивания грунтов может привести к недопустимым деформациям с появлением в стенах продуваемых трещин.

    При таких грунтах правильнее либо применять принцип I строительства, либо предварительно оттаивать грунты на месте возведения здания на необходимую глубину. Для оттаивания грунтов используют паровые иглы, электропрогрев и др. Применение паровых игл обеспечивает максимальную скорость процесса оттаивания, но приводит к дополнительному увлажнению грунтов, что обычно недопустимо. Оттаявшую массу грунта, как правило, надо уплотнить.

    Пески и даже гравелистые грунты после  оттаивания часто находятся в  рыхлом состоянии, что недопустимо  для грунтов в основании, особенно если они будут испытывать в дальнейшем динамические воздействия, в т. ч. сейсмические.

    Пылевато-глинистые  грунты после оттаивания часто имеют  большую влажность и обладают значительной сжимаемостью, поэтому их относят к категории слабых сильносжимаемых грунтов.

    Иногда  грунты в основании предварительно оттаивают лишь на ту глубину, в пределах которой возможно развитие наибольших неравномерностей просадки. Такое решение допустимо только при грунтах, обладающих относительно малой деформативностью при оттаивании. При большой глубине зоны ожидаемого оттаивания под зданием ее целесообразно уменьшать путем укладки теплоизоляции под полом.

2.1.  Выбор глубины  заложения подошвы  фундамента

  Глубину заложения подошвы фундаментов  зданий, возводимых с сохранением  вечномерзлого состояния грунтов (по принципу I), при сливающемся деятельном слое определяют исходя из расчетной глубины сезонного оттаивания грунтов, заглубляя фундаменты, возводимые в открытых котлованах, в вечномерзлый грунт не менее чем на 1 м, а сваи - не менее чем на 2 м. Расчетную глубину сезонного оттаивания грунтов d_th для зданий с вентилируемым подпольем вычисляют по формуле:

      d_th = k’_h d_th.n  (5)

где k’_h - коэффициент теплового влияния зданий: принимается у наружных стен с асфальтовыми отмостками равным 1,2; у наружных стен без асфальтовых отмосток - 1; у внутренних стен - 0,8; d_th.n - нормативная глубина оттаивания, обычно устанавливается на основе теплотехнического расчета или по картам с поправкой на влажность грунта ¹.

  При проектировании и строительстве по принципу II, т. е. с оттаиванием грунтов, глубину заложения подошвы фундаментов устанавливают так же, как для фундаментов, возводимых в районах сезонного промерзания. При этом надо учитывать, что с северной стороны в зоне затенения может образовываться линза мерзлого грунта, которая будет способствовать более глубокому промерзанию грунтов.

2.2.  Расчет центрально  нагруженных фундаментов,  возводимых с сохранением  вечномерзлого состояния грунта (по принципу I)

  При наличии в основании проектируемого сооружения твердомерзлых грунтов, которые при устройстве фундаментов по принципу I характеризуются очень большим модулем деформации, основание рассчитывают только по первой группе предельных состояний (по несущей способности). Следовательно, при расчете должно быть удовлетворено условие F £ g_c F_u / g_n.

  Столбчатые  и свайные фундаменты, заделанные в вечномерзлый грунт, передают нагрузку не только подошвой (пятой), но и боковой  поверхностью. В связи с этим при  определении их несущей способности учитывают как лобовое сопротивление грунта, так и сопротивление смерзания грунта с их боковыми поверхностями.

  Несущую способность фундамента или сваи определяют по формуле

где g_T и g_c - соответственно температурный коэффициент и коэффициент условий работы грунтов основания, принимаемые по СНиП 11-18-76; R - расчетное сопротивление мерзлого грунта при расчетной температуре, определяемое по СНиП 11-18-76, на глубине заложения подошвы фундамента или нижнего конца сваи, равной d_th + z; A - площадь подошвы фундамента или сечения нижнего конца сваи; R_af.i - среднее расчетное сопротивление смерзания мерзлого грунта обратной засыпки или грунтового раствора, окружающего фундамент или сваю (рис. 8, а и в), зависящее от температуры грунта на глубине середины рассматриваемого слоя, определяемой по СНиПу; A_af.i - площади поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента или 1-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи; n - число слоев по высоте вмороженной части нижней ступени фундамента или сваи.

Рис. 8. Расчетные схемы

а - отдельного фундамента; б - свайного фундамента; в - изменение максимальной температуры по глубине

  Возникает вопрос: из каких температур следует  исходить при определении значений R и R_af? В общем случае, согласно данным теплотехнических расчетов, а также наблюдений, максимальные температуры до границы нулевых амплитуд сезонных  колебаний  температуры  с  глубиной  понижаются (рис. 8, б). Если исходить из максимальной температуры на любой глубине, значения R и R_af получаются заниженные, так как эта температура действует на глубине z в течение непродолжительного времени в первой половине зимы, когда деятельный слой еще не промерз. В дальнейшем температура на данной глубине понижается и грунт будет характеризоваться большими значениями R и R_af- Таким образом, если исходить из длительной прочности грунтов при определении R и R_af, получится излишний запас, обусловленный тем, что наиболее высокая температура на данной глубине действует не постоянно, а периодически.