Охлаждение грунтов при устройстве свайных фундаментов

Обновлено: 02.05.2024

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

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.

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

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. 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.

СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Опечаткой, с Изменениями N 1, 2, 3)

Ж.1 При строительстве зданий и сооружений на свайных фундаментах в сезоннопромерзающих или искусственно замороженных пучинистых грунтах необходимо учитывать касательные силы морозного пучения. Расчет оснований и свайных фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить при эксплуатации неотапливаемых сооружений, мачт линий электропередачи и мобильной связи, трубопроводов и др. или при консервации сооружений, а также для условий периода строительства, если до передачи на сваи проектных нагрузок возможно промерзание грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания или выполняется искусственное замораживание грунтов (при строительстве метро или эксплуатации помещений с отрицательной температурой). При необходимости в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению выпучивания свай в период строительства.

Ж.2 Устойчивость свайных фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию

, (Ж.1)

где - расчетная удельная касательная сила пучения, кПа, принимаемая согласно указаниям Ж.3;

- площадь боковой поверхности смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта или слоя искусственно замороженного грунта, м;

- расчетная нагрузка на сваю, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.);

- расчетное значение силы, удерживающей сваю от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания, кН, принимаемое по указаниям Ж.4;

- коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;

- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.

Ж.3 Расчетную удельную касательную силу морозного пучения , кПа, следует определять, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значение по таблице Ж.1 в зависимости от вида и характеристик грунта.

Грунты и их характеристики

Значения , кПа, при глубине сезонного промерзания-оттаивания , м

Супеси, суглинки и глины при показателе текучести 0,5, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при показателе дисперсности 5 и степени влажности 0,95

Супеси, суглинки и глины при 0,250,5, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при 1 и степени влажности 0,8 0,95

Супеси, суглинки и глины при 0,25, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при 1 и степени влажности 0,60,8

1 Для промежуточных глубин промерзания принимается интерполяцией.

2 Значения для грунтов, используемых при обратной засыпке котлованов, принимается по первой строке таблицы.

3 В зависимости от вида поверхности фундамента приведенные значения умножают на коэффициент: при гладкой бетонной необработанной - 1; при шероховатой бетонной с выступами и кавернами до 5 мм - 1,1-1,2, до 20 мм - 1,25-1,5; при деревянной антисептированной - 0,9; при металлической без специальной обработки - 0,8.

4 Для сооружений класса КС-1 значения умножают на коэффициент 0,9.

Таблица Ж.1 (Измененная редакция, Изм. N 1).

Ж.4 Расчетное значение силы , кН, удерживающей сваи от выпучивания, следует определять по формуле

, (Ж.2)

где - периметр сечения поверхности сдвига, м, принимаемый равным периметру сечения сваи;

- толщина -го слоя талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя промерзания-оттаивания, м;

- расчетное сопротивление -го слоя талого грунта сдвигу по поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3.

Ж.5 При проектировании свайных фундаментов с ростверками на средне- и сильнопучинистых грунтах следует учитывать действие нормальных сил морозного пучения грунтов на подошву ростверков.

Ж.6 Расчет отрицательной силы трения оттаивающих грунтов на сваи.

При оттаивании сезонномерзлых или искусственно замороженных грунтов происходит их оседание, в результате чего на боковую поверхность свай действуют отрицательные (негативные) силы трения, направленные вертикально вниз.

Устройство свай в вечномерзлых грунтах

Люди селятся не только в южных районах и средней полосе, огромная часть населения нашей страны проживает в суровых районах Крайнего Севера, где очень сложные климатические условия. Но даже в таких районах жизнь не останавливается – растут города и поселки, где больше половины жилья возводится частным образом. В этом случае очень актуальным становится возведение фундаментных оснований, способных выдержать сложные условия. Тема этой статьи – фундаменты на вечномерзлых грунтах, их устройство и технология работ.

Вечномерзлые грунты: характеристики, свойства

Вечномерзлыми считаются такие грунты, которые находятся в мерзлом состоянии 3-х и более лет, они имеют неустойчивую структуру, при оттаивании подвергаются значительной просадке в результате нарушений природного структурного состояния.

Срез вечномерзлого грунта

Вечномерзлый слой разделяется на две части по вертикали:

Деятельный слой – поверхностный слой мерзлого грунта подвергается частичному оттаиванию во время летнего сезона и снова замерзает с наступлением зимы. Интенсивные процессы оттаивания и замерзания почвы вызывают пучение, что негативно сказывается на устойчивости и прочности зданий, построенных на этом грунтовом основании.

Мощность деятельного слоя зависит от климата местности и геологического состава залегающего грунта, может составлять от 0,3 до 4,0 метров, при этом при продвижении к югу, толщина деятельного слоя значительно возрастает. Наибольшей толщины поверхностный слой достигает в почвах, сложенных их песка и осколочных скальных пород, имеющих открытые поры.

Различают два типа деятельных грунтов:

Сливающиеся – в условиях зимних холодов почва деятельного слоя промерзает на всю толщину, и смерзается с вечной мерзлотой основания, на которое опирается.
Несливающиеся грунты – между деятельным грунтовым слоем и вечномерзлым материковым, существует незамерзающая перемычка.

Вечномерзлая толща – этот грунтовый слой принято подразделять на два вида:

Непрерывная мерзлая толща – состоит из сплошного однородного слоя мерзлого грунта.
Толща слоистая – представлена прослойками из смерзшихся почв, льдистых включений или слоев, которые размываются подпочвенными водами.

Вечная мерзлота может быть сложена из грунтов любого типа, среди которых наиболее широко представлены основные группы почв. Самый наименьший процент в мерзлотных почвах составляют скальные породы.

Твердомерзлый грунт

По состоянию вечномерзлые грунты принято подразделять на следующие виды:

Твердомерзлые – этот вид представлен смерзшимся песком, который в замерзшем состоянии приобретает все свойства и характеристики скального грунта.
Пластичномерзлые – состоят из глинистых пород, которые в результате глубокого промерзания, содержат замерзшую воду, и могут сжиматься при воздействии определенных нагрузок.
Грунты сыпучемерзлые – эту группу составляют песчаные и гравийные грунты, которые даже в замерзшем состоянии не скованы льдом, находятся в достаточно рыхлом состоянии.

Особенности фундаментов на вечной мерзлоте

Фундаменты на вечномерзлых грунтах требуют особого подхода, для их возведения применяется специальная технология. Уже в момент проектирования опорного основания в условиях вечной мерзлоты, следует предусмотреть ряд аспектов:

Разработка мероприятий по уменьшению возможных деформаций постройки.
Тщательный расчет глубины заложения фундамента.
Выбор вида фундаментного основания с учетом местных условий.
Технология возведения опоры здания, разработанная для строительства оснований здания в вечной мерзлоте (способ погружения опор).

Строительство дома в любых условиях – ответственный процесс, требующий тщательного выполнения строительных норм и правил, с особой тщательностью следует выполнять технологию работ. В условиях вечной мерзлоты к строительству зданий следует подходить еще более ответственно, выбирая подходящее основание для опоры постройки.

Свайные фундаменты

Оголовки свай для мерзлых грунтов

По сравнению с другими типами оснований, фундамент на вечной мерзлоте (свайный), имеет значительные преимущества:

Исключается необходимость разработки природного грунта в котловане, что достаточно тяжело выполнить в силу природных условий местности.
Свайные фундаменты в мерзлоте допускается возводить при любых погодных условиях, в любое время года.
Технология устройства свайных фундаментов (способ погружения) отличается простотой, доступностью.
Свайные основания в условиях мерзлоты обычно заглубляют на большую глубину, поэтому исключается опасность неравномерной осадки здания и опрокидывания конструкций.

Необходимо выполнять тщательные расчеты величины заглубления свайных опор, учитывая весь комплекс действующих факторов по геологическим и гидрогеологическим показателям, в том числе – глубины сезонного промерзания и оттаивания грунта.

Особое внимание следует уделять морозному пучению почв, которые возникают в пылеватых и глинистых почвах. Выпучивание замерзшей почвы чревато неравномерной осадкой при сезонном оттаивании верхних слоев мерзлой породы.

Свайные опоры в большей мере, чем другие виды фундаментных оснований, способны сопротивляться силам морозного пучения. Устройство основания из свай под здания в условиях вечной мерзлоты, соблюдая необходимую технологию, гарантирует зданию устойчивость, прочность и долговечность.

В настоящей статье рассмотрим подробно технологию возведения свайных фундаментов в районах вечной мерзлоты.

Буроопускные сваи

Каркас буроопускной сваи

Технология устройства фундаментов из буроопускных свай разработана специально для районов с вечномерзлыми грунтами.

Способ погружения опор включает выполнение основных технологических операций:

Погружение свай квадратного сечения в заранее приготовленную скважину, превышающую по размерам погружаемую опору.
Заполнение зазора между свайной опорой и стенками скважины бетонным раствором.

Свайные опоры, принимая нагрузку от веса здания и прочих воздействий, перераспределают ее на нижние слои почвы, а также на боковые поверхности, сжимаемые грунтом.

Промышленность выпускает прямоугольные буроопускные опоры из металла. Внизу ствола имеется уширение с закрепленным опорным элементом и ребрами жесткости. Между телом сваи и наконечником устанавливается специальная цилиндрическая вставка, которая определяет несущую способность всей опорной конструкции.

Допускается применять для устройства фундаментного основания сваи квадратного сечения и сваи-оболочки. Для повышения прочности последних опор, требуется выполнить бетонирование внутренней полости после завершения монтажных работ.

Габариты свайных опор принимаются согласно проектным расчетам. Для обеспечения повышенной прочности могут быть применены составные опоры, при условии их обязательного опирания на твердое основание.

Рекомендуем посмотреть видео, рассказывающее о процессе монтажа опор в мерзлых почвах.

Технология и способы погружения свай

Способ погружения свайных опор в мерзлые грунты при использовании технологии строительства оснований из буроопускных свай, включает следующие операции:

Предварительное бурение скважин в вечномерзлом грунте.
Устройство амортизационной песчано-гравийной подушки – в скважину послойно засыпается крупный песок с проведением тщательного уплотнения слоев. Второй слой подушки выполняется из мелкого гравия или щебня мелкой фракции. Устройство песчано-гравийной подушки предполагает выполнение тщательного уплотнения слоев песка и щебня.

Способ уплотнения подушки состоит в следующем: с большой высоты в скважину опускается фундаментная опора квадратного сечения, которая уплотняет слой песка или щебня.

Погружение металлической сваи в подготовленную скважину (существует специальная технология).
Заполнение пазух свайного фундамента грунтом или раствором – устройство основания под здание в вечномерзлых грунтах предполагает заполнение пространства вокруг наружных поверхностей свайной опоры мерзлым материковым грунтом; цементно-песчаным или цементно-глинистым раствором.

При заполнении пустого пространства раствором, важно помнить, что состав должен заполнить скважине не более 1/3 от ее глубины.

Посмотрите видео, как производится установка буроопускных опор.

Способ погружения свайных опор в мерзлые грунты выбирается в зависимости от комплекса условий, которые включают состояние мерзлых грунтов. В зависимости от ситуации, могут применяться следующие варианты погружения опор:

Механизированная установка опор – при этом варианте буроопускные опоры монтируются в скважины при помощи специальных механизмов. Способ монтажа опор нельзя назвать экономичным, так как привлекается дорогая грузоподъемная техника.
Устройство фундаментного основания методом погружения свай в предварительно оттаянный грунт (оттаивание проводится специальными иглами с помощью пара или электричества). Этот способ отличается сложностью и сопряжен с высокими затратами.
Монтаж свай в скважины заведомо меньшего диаметра (бурозабивной способ).
Забивка свайных опор в вечномерзлые грунты без проведения предварительной подготовки.

Два первых способа применяются в твердомерзлых грунтах, технология забивного погружения свай применяется обычно в мерзлых пластичных грунтах. Каждый способ имеет свои особенности, преимущества и недостатки, выбирая технологию погружения свай, следует всесторонне оценить существующие условия строительства.

Читайте также: