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]

Существует множество патентов на конструкции свай для использования в многолетнемерзлых грунтах: забивные   сваи с многогранным стволом, буроопускные сваи с дополнительным расширяющимся кожухом, буроопускные сваи с анкерными элементами, набивные сваи с анкерными элементами и др. Все эти виды свай являются лишь аналитическими моделями и не получили распространения в практики строительства в условиях вечной мерзлоты. Существует различие между сваями, применяемыми в мерзлых грунтах и сваями, применяемыми в талых грунтах. Во втором случае используют широколопастные анкеры с заостренным наконечником с отношением диаметров лопасти и ствола сваи > 1,5. В вечно-мёрзлых грунтах   применяют узколопастные анкеры с отношением  диаметров лопасти и ствола сваи < 1,5.

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.

ВЫВОДЫ

• Требования современных строительных технологий ставят задачи совершенствования методов исследования многолетнемерзлых грунтов и разработке эффективных конструкций фундаментов, важнейшей целью которых более эффективно использовать потенциал несущей способности ММГ с учетом перспективы климатических изменений.
• Выделяются два основных направления: разработка новых видов фундаментов, позволяющих более полно использовать высокий потенциал несущей способности мерзлых грунтов и улучшение строительных свойств грунтов путем понижения их температуры.
• Наиболее перспективным для использования в многолетнемёрзлых грунтах, в настоящее время, видом свай являются сваи с неровной боковой поверхностью (ребристые сваи), которые не только более эффективно используют свойства мёрзлых грунтов, но и с учетом своей экономичности, в перспективе позволят увеличить объёмы строительного рынка.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

• Мерзлотоведение (краткий курс) под ред. В.А Кудрявцева Издательство Московского Университета. 1981 г.
• Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах [текст]/под ред. Ю.Я Велли, В.В Докучаева, Н.Ф Федорова, Ленинград, Стройиздат, 1977 г.
• Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов Издательство «Высшая школа» 1973 г.
• http://townevolution.ru/books/item/f00/s00/z0000047/st047. shtml 03.03.2019 20:15 Конструктивные мероприятия, обеспечивающие заданный температурный режим основания
• Набережный А.Д. Повышение несущей способности свай в условиях вечномерзлых грунтов // В сб. конф. «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», 2016 – С. 1058-1061.
• Набережный А.Д. Исследование несущей способности мёрзлых грунтов основания ребристых буроопускных свай, Северо- Восточный Государственный Университет имени М.К Аммосова, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Якутск 2018 – на правах рукописи
• Набережный А.Д., Саввина А.Е. Экспериментальные исследования висячих свай и способы повышения их несущей способности // Промышленное и гражданское строительство. №8. – С.70-74.