ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
АННОТАЦИЯ
Автором рассматриваются мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, принципы использования их в качестве основания зданий и сооружений, конструктивные решение фундаментов, применяемых на вечномёрзлых грунтах с целью ознакомления с особенностями мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, с особенностями проектирования фундаментов в условиях вечной мерзлоты, новыми типами фундаментов и др. Собрана и систематизирована информация о свойствах мёрзлых грунтов, об инженерных мероприятиях, применяемых на таких грунтах. Анализ собранных данных показал, какие типы фундаментов стоит применять в строительстве на многолетнемёрзлых грунтах в ближайшей и дальней перспективах.
ВВЕДЕНИЕ
Центральная Сибирь и Дальний Восток – территория, отличающаяся огромными запасами полезных ископаемых. Здесь присутствуют крупнейшие месторождения углеводородов, угля, золота, гелия, меди, алмазов, крупные месторождения цветных, чёрных и редких металлов, фосфоритов урана, олова, и других рудных и нерудных полезных ископаемых. Освоение этих территорий отвечает национальным интересам России. Однако, наибольшая сложность развития инфраструктуры Центральной Сибири и Дальнего Востока обуславливается не только отдалённостью этих территорий, но и инженерно-геологическими условиями. Большую часть этих территорий занимают мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты.
Мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают обширные территории Азии, Северной Америки, Антарктиды, а также в Европе. Общая площадь распространения таких грунтов составляет 35,17 млн. км2 (23 % земной суши), из них 11 млн. км2 в Российской Федерации. В России (рис. 1) мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают в основном азиатскую часть, при этом область их распространения простирается вплоть до Северного Ледовитого океана. Они охватывают большую часть Сибири и всю Арктику. [1]
Мёрзлыми называются грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своём составе лёд. Многолетнемёрзлыми являются мёрзлые грунты, находящиеся в таком состоянии в течении трёх и более лет. Благодаря содержанию в своей структуре льда, мёрзлые грунты являются практически несжимаемыми, однако, при оттаивании их несущая способность резко уменьшается и они дают большую просадку. Значительно изменяются и прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при перемене температур в отрицательном спектре.
Особенности проектирования зданий и сооружений на вечной мерзлоте.
Особые природные и экономические условия районов распространения многолетнемёрзлых грунтов обуславливают особые требования к проектированию, возведению и эксплуатации зданий и сооружений. К таким условиям относятся: суровый климат, мёрзлое состояние грунтов и экономические особенности, связанные с удалённостью и малой освоенностью территорий.
При строительстве на многолетнемёрзлых грунтах повышаются требования к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций и материалов, из которых возводится здание или сооружение. Применяются особые архитектурно-планировочные решения, связанные с длительным пребыванием человека вне улицы. Высокие скорости ветра в таких условиях не только предполагают специальную защиту ограждающих конструкций зданий и сооружений, но и усиление несущих конструкций. Из-за часто повторяющихся ветров объекты заносит снегом, что нарушает транспортное сообщение, проветривание подполий зданий. В связи с этим применяются решения по защите объектов от снегозаносов. [2] Наибольшая же специфичность проектирования зданий на многолетней мерзлоте сосредоточена в вопросах проектирования фундаментов, для этого написан даже отдельный свод правил, СП 25.13330.2012
Принципы использования мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов в качестве основания.
При проектировании зданий и сооружений на таких грунтах используются два принципа, сформулированные Н. А. Цытовичем. [3] При принципе I грунты используются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации зданий и сооружений. При принципе II – грунты используются в оттаявшем или оттаивающем состояниях.
Инженерные мероприятия для принципа I.
Подполья. Устройство подполья является наиболее распространённым способом регулирования теплового влияния зданий на температурный режим оснований. Оно представляет собой часть здания, заключённое между перекрытием первого этажа и грунтом основания. Непроветриваемые подполья устраиваются в районах с низкими отрицательными температурами и при незначительных
размерах здания в плане, когда основание остаётся мёрзлым за счет бокового охлаждения через грунт. Открытые подполья имеют постоянное сообщение с наружным воздухом. Однако, постоянная низкая температура в открытом подполье создаёт неблагоприятный температурный режим для помещений первого этажа здания. Чтобы снизить влияние низкой температуры на температурный режим помещений первого этажа, часто используются подполья с регулируемым проветриванием. Средством вентиляции для них служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания.
Подсыпки. Их применение целесообразно в случаях, когда грунт основания плохо поддаётся разработке, например, на площадках с ископаемым льдом, при возможности карстовых явлений и пр. [4] В качестве материала для подсыпки хорошо подходят не сцементированные льдом пески средней крупности и крупные, а также крупнообломочные грунты (содержащие частицы размером до 0,1 мм). Высота подсыпки подбирается исходя из того, что высота протаивания под ней была не больше естественной мощности сезоннопротаивающего слоя.
Охлаждающие трубы и каналы. Охлаждающие трубы проводятся на некоторой глубине под всем зданием и объединяются коллекторами, по которым подаётся охлаждающая жидкость или газ. Искусственное охлаждение используется при значительных технологических нагрузках на полы, а также при невозможности использования проветриваемых подполий.
Фундаменты, используемые в многолетнемёрзлых грунтах.
В основном на многолетнемёрзлых грунтах применяются висячие сваи, обеспечивающие несущую способность за счет смерзания боковой поверхности с грунтом и операния острия сваи. [5] Однако, бывают случаи, когда целесообразнее всего применить другой тип фундаментов. Например, когда здание возводится на подсыпке, на площадках с неглубоким залеганием кровли разрушенных скальных пород, а также на площадках с массивами льда, применяются сборные столбчатые фундаменты. Ленточные фундаменты применяют в том случае, когда их подошвы проектируются в пределах насыпи из непучинистых грунтов.
Устройство столбчатых и ленточных фундаментов предполагает большой объём земляных работ, поэтому наиболее рациональных в условиях многолетней мерзлоты является устройство свайных фундаментов.
На многолетнемёрзлых грунтах в большинстве случаев применяются буроопускные сваи с гладкой боковой поверхностью. В предварительно пробуренную на определённую глубину скважину опускают сваю, а пространство между сваей и стенками скважины заполняют грунтовым раствором и выдерживают до смерзания с окружающими грунтами. Нагрузка от сооружения передается на грунты основания через нижний конец сваи и боковую ее поверхность.
Серьёзным недостатком буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью является их малая надёжность в условиях веч-ной мерзлоты за счёт снижения несущей способности со временем. Не последней проблемой в зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов является глобальное потепление.Появилась необходимость появления новых типов свай, позволяющих использовать несущую способность оснований более эффективно. [6]
Несмотря на положительные стороны винтовых свай, таких, как их высокая технологичность и дешевизна, существует ряд серьёзных недостатков. Бурение скважин под такие сваи не прощает ошибок, так как возможно существенное снижение несущей способности основания по боковой поверхности сваи.
Ребристые сваи. Анализ литературы показал, что необходимо стремиться к созданию буроопускных свай с неровной боковой поверхностью, так как именно эта конфигурация позволяет существенно увеличить несущую способность грунтов основания. С этой целью Набережным А. Д. была разработана методика по расчёту таких свай. Они представляют собой сваи с ребристой боковой поверхностью. Грунт под рёбрами таких свай работает на сжатие, что намного эффективнее, чем работа грунта на сдвиг по поверхности смерзания с материалом обычной буроопускной сваи.
При использовании ребристых свай на их ребрах образуется тонкий слой льда. В ребристых сваях нагрузка передается нижними гранями ребер и грунт или грунтовый раствор работает преимущественно на сжатие, вследствие чего наличие льда не будет значительно снижать несущую способность основания. Экспериментальным путём было установлено, что, чем меньше шаг рёбер, тем выше несущая способность. [7]
Ребристые сваи наиболее эффективны в условиях вечной мерзлоты ввиду того, что площадь смерзания поверхности сваи с грунтом больше, вследствие чего повышается несущая способность основания. Использование ребристых свай экономически более выгодно, чем использование буроопускных свай с гладкой поверхностью.
Ремонтные работы повреждённых зданий и сооружений требуют больших затрат. Поэтому, гораздо более целесообразно внедрение в строительное производство нового типа свай. По данным технико- экономического сравнения буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью и свай с ребристой боковой поверхностью, экономический эффект при внедрении данного типа свай составит порядка 2 млрд. руб/год.
ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО СЕВЕРНОГО КЛИМАТА
АННОТАЦИЯ
Автором рассмотрены факторы, препятствующие активному освоению территории распространения многолетнемерзлых грунтов. Представлена информация об основных принципах и методах проектирования и строительства на вечномерзлых грунтах, а также о мероприятиях для обеспечения высокой несущей способности оснований и фундаментов зданий и сооружений. Описаны часто применяемые типы фундаментов и материалов для утепления ограждающих конструкций в условиях северных широт. Приведены модульные здания из блоков-контейнеров, как отдельный вид строительных объектов для Крайнего Севера.
Россия – северная страна, почти 2/3 которой находится в области вечной мерзлоты. Грунты и горные породы здесь находятся в постоянно мерзлом состоянии, оттаивая лишь на небольшую глубину летом (примерно на 1-3м) [1]. Исключительностью Российского Севера являются суровые климатические условия, которые становятся существенными преградами для строительства. Строительная инфраструктура здесь активно развивается с 30-х гг. XX в., со времени начала добычи полезных ископаемых в этом регионе. В сооружениях, возводимых на вечномерзлых грунтах без принятия особых, отличных от обычных условий, мер и методов, возникают совершенно недопустимые деформации, затрудняющие эксплуатацию сооружений и приводящие к их полному разрушению. Известны случаи обрушения неправильно построенных домов в Чите, а в Канаде, например, жителям пришлось покинуть целых два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли [2].
Инженерная геокриология, как отрасль геокриологии, занимается особенностями проектирования и строительства различных инженерных сооружений в зоне распространения вечномерзлых грунтов. Развитие ее началось в 20-х годах XX века благодаря стараниям таких ученых, как М.И. Сумгин, В.А. Обручев и В.И. Вернадский. Большой вклад внес Николай Александрович Цытович, который является основоположником инженерного мерзлотоведения, сформулировавший основные принципы механики мерзлых грунтов.
Рис. 1 Цытович Николай Александрович
Разработки, выполненные им в начале 30-х годов и позднее, привели к созданию нового научно обоснованного метода строительства с сохранением мерзлого состояния грунтов, усовершенствованный в дальнейшем учеными мерзлотоведами и конструкторами строителями. На основе этого метода в военное время, а особенно в послевоенные годы были возведены многие многоэтажные здания, промышленные предприятия в Якутске и в других местах. Так, благодаря Н.А. Цытовичу и другим ученым-мерзлотоведам были построены один из самых северных городов планеты Норильск и крупнейший в мире Норильский горно-металлургический комбинат. Под руководством этого выдающегося ученого кафедра механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ достигла больших успехов, и благодаря его работам и трудам других сотрудников она продолжает стремительно расти. [3]
При проектировании и строительстве зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах, выделяют 2 основных принципа использования этих грунтов в качестве оснований:
Как показывает практика, здания и сооружения в условиях Крайнего Севера строятся в основном по первому принципу, так как в мерзлом состоянии грунт имеет высокую несущую способность. В настоящее время при проектировании и расчете оснований и фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах применяют несколько методов [4]:
В качестве варианта, предлагается использование грунтов оснований в вечномерзлом состоянии, как способ обеспечения их эксплуатационной пригодности и долговечности [5]. Технология метода заключается в организации мероприятий по уменьшению температуры грунтового основания до расчетных значений:
Основным типом фундаментов для вечномерзлых грунтов являются свайные фундаменты. Возможно использование свай следующих типов:
Но и они подвергаются разрушению под действием многих конструктивных и природных факторов: 1) неправильная планировка подполий и окружающей территории, не обеспечивающая отвода поверхностных, надмерзлотных и аварийных вод от фундаментов; 2) напорное давление надмерзлотных вод при промерзании грунта в начале зимнего периода; 3) образование трещин в сваях под действием температурных деформаций ростверков; 4) превышение расчетных напряжений в бетоне, значительно снижающее его морозостойкость.
Это привело к исследованию альтернативного типа фундаментов поверхностных вентилируемых пространственных фундаментов- оболочек. Они обладают рядом преимуществ, среди которых: совместимость функции несущей и охлаждающей грунт конструкции, что осуществляется посредством отсыпаемого на мерзлом основании промежуточного слоя; выполняемый из непучинистого материала промежуточный слой под пространственным фундаментом, значительно снижающий интенсивность криогенных процессов при тепловом и механическом взаимодействии зданий с мерзлым основанием; возведение фундаментов без нарушения мерзлотно-грунтовых условий на строительных площадках, что позволяет ликвидировать временной технологический разрыв, который необходим при устройстве свайных фундаментов.
Так, опыт эксплуатации четырехэтажного здания каркасно-панельного административно-бытового комбината (АБК), возведенного на фундаменте-оболочке монолитной конструкции на сильнольдистых высоко-температурных грунтах показал, что произошло не только промерзание промежуточного слоя, но и понижение температуры грунтов ниже его подошвы.
Рис.3. Часть строящегося здания АБК на поверхностном фундаменте- оболочке в г. Норильск
Верхняя граница вечной мерзлоты установилась на глубине 1,8 м. Средняя осадка фундамента-оболочки составила 2,1 см, что является хорошим результатом. А значит и поверхностные фундаменты являются прекрасным решением для суровых условий наших северных регионов. [9]
Возведение фундамента – не единственная проблема, с которой сталкиваются инженеры при строительстве зданий в условиях Крайнего Севера. Аномально низкая температура, сильные ветры и суровые метели – еще одна особенность северного климата. Для обеспечения максимального комфорта кварталы городов в таком случае строят замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, что позволяет значительно снижать скорость ветра.
При строительстве на вечномерзлых грунтах основным типом возводимого здания является здание каркасного типа. Высокая скорость монтажа – вот главное его достоинство. В связи с этим, элементы каркаса выполняют из сборного железобетона и металла, причем металлические конструкции более эффективны и обладают рядом преимуществ перед железобетонными. Так, это отсутствие мокрых процессов, которое дает возможность вести строительство при низких температурах без устройства тепляков, также меньшая нагрузка на фундамент, так как при равных эксплуатационных условиях здание из стального каркаса будет легче железобетонного. Элементы здания из металлического каркаса можно демонтировать, усиливать несущие конструкции полосами стали, в случае необходимости, производить модернизацию здания под новые требования производства, а повторное использование металла после демонтажа позволяет использовать его гораздо экологичнее и эффективней. [10]
Что касается ограждающие конструкции и теплоизоляции стен, то выполняют их из облегченных, утепленных панелей. Наилучшим решением во многих случаях является сэндвич- панель, которая имеет трёхслойную структуру, состоящую из двух листов жёсткого материала (металл, ПВХ, ДВП, магнезитовая плита) и слоя утеплителя между ними. Принцип сэндвич-технологии был описан ещё в 1950-х годах, однако активное применение сэндвич-панелей в строительстве в России началось лет через 30. Появление в России изделий, в которых в качестве утеплителя используется плита из каменной ваты, позволило эффективно решить проблему сохранения тепла. Производство в России панелей по западным технологиям с принятыми за рубежом классами точности (и соответствующих нормативам для нашего климата) сделало этот материал оптимальным выбором для строительства в районах с суровым климатом. В настоящее время индустриальными методами возводится подавляющая часть городов и посёлков Сибири и Дальнего Востока. [11] Важным элементом является теплоизоляция не только фундаментов, стен и кровли, но и светопрозрачных конструкций, и конструкции оконных блоков с заполнением инертными газами находят сегодня широкое применение в практике строительства на российском Севере. В частности, специальная программа по внедрению энергосберегающих окон действует в Красноярске. [11]
Рис.4. Крепление сэндвич панелей
Они очень популярны в условиях Крайнего Севера в силу своих многочисленных достоинств, а именно:
Рис. 5 Модульное здание г. Чита
Сегодня в условиях крайнего севера действует несколько десятков различных полярных станций, все они построены из модульных быстровозводимых зданий на свайном типе фундамента. Самым знаменитыми объектами являются станция «Арктический трилистник» на острове Земля Александры архипелага Земля Франца-Иосифа и военная база «Северный клевер», размещенная на о. Котельный архипелага Новосибирские острова.
Основываясь на приведенных выше сведениях, можно сделать вывод, что динамика строительства городов на Крайнем Севере будет расти, что подразумевает дальнейшее изучение данных территорий и подталкивает к проектированию и созданию новых типов фундаментов, более технологичных и менее энерго- и материалоёмких. Как вариант, поверхностных фундаментов, совмещенных с несущими и ограждающими модульными конструкциями, в силу компактности и большой жесткости последних.