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.
Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты
Автор: Шафигуллина Лейсан, Студентка инженерно-строительного факультета Казанского (Приволжского) федерального университета (филиал в г. Наб. Челны)
Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая особенна по-своему. Но это не означает, что там нельзя строить здания и сооружения. Это возможно при любых климатических условиях. Всего на всего нужно соблюдать определенные требования к строительству и проектированию. И тогда любое здание будет функционировать на том же уровне что и в умеренных широтах.
Какие же требования нужно выполнят при строительстве и проектирование зданий в условиях вечной мерзлоты? По строительным нормам принято выделять два принципа проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.
По 1 принципу – в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов, как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации.
По 2 принципу – перед строительством грунты предварительно оттаивают или используют грунты, оттаивающие в период эксплуатации. В этом случае вечная мерзлота грунтов не сохраняется.
Что касается сохранения вечномерзлого состояния грунтов, то можно применить следующие приемы…
1. Возводить здание на подсыпках (рис. 14.6,а) и обеспечить теплоизоляцию поверхности и грунта (рис. 14.6,б). Этот прием рассчитан на охлаждение массива грунта основания с боков. В случае если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании.
2. Устройство вентилируемых подполий (рис. 14.6,в). Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье.
3. Расположение на 1 этаже неотапливаемых помещений (рис. 14.6,г), что тоже выполняет роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения стены 1 этажа из теплопроводных материалов, а окна – с одинарным остеклением.
4. Устройство под полом вентиляционных каналов (рис. 14.6,д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов (рис. 14.6,е) саморегулирующими колонками или специальными холодильниками установками с замораживающими колонками.
5. Устройство свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. При этом укладка теплоизоляции под полом отапливаемого здания существенно уменьшает глубину оттаивания.
А что касается 2 принципа, то при проектировании и строительстве фундаментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.
Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует возводить здания малочувствительных конструкций. А в некоторых случаях следует регулировать и сам процесс оттаивания.
При проведении бетонных и каменных работ нужно выполнять специальные требования…
Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность.
Процессы бетонирования в условиях отрицательных температур производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.
Современные технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:
В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.
В итоге, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, только следует применять нужные меры и соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.
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