Многолетнемерзлые грунты. Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

 

При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строительства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не подвергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.

 

В зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:

 

- возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы, не имеющие значительных трeщин, заполненных льдом или мерзлым грунтом. Здесь вечная мерзлота не имеет практического значения.

Если глубина залегания таких оснований до 3 м, то фундаменты устраивают обычные; если глубина 3-4 м – железобетонные столбчатые или свайные, а при глубине более 4м – свайные с заглублением свай в толщину ненарушенной структуры путем устройства буровых скважин.

 

 При строительстве  на трещиноватых смерзшихся коренных  породах прочность основания  усиливают путем бурения скважин  и нагнетания в них под давлением  пара для оттаивания льда и  разогрева толщи грунта до 50 °С, после этого сразу нагнетают в трещины под давлением цементный раствор, который затвердевает до охлаждения толщи грунта. Этот же метод используют при строительстве на таликах достаточной мощности при отсутствии в них вечномерзлых включений;

 

- сохранение грунтов основания в вечномерзлом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасыщенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым температурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодного подполья высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более.

 

Для проветривания подполья в цоколе устраивают продухи, позволяющие регулировать поступления воздуха в зависимости от времени года;

 

- оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при оттаивании. Для того чтобы обеспечить медленное и равномерное оттаивание грунта, рекомендуется глубину заложения принимать минимальной (но не менее конструктивной) в случае, если деятельный слой не состоит из пучинистых грунтов, а также заменять деятельный слой грунта, если он включает пучинистые породы.

 

При таком методе обеспечивается общая жесткость здания (путем устройства непрерывных железобетонных поясов, замоноличенных швов и др.);

 

- предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключается восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов. Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в результате всестороннего технико-экономического анализа.

 

 При проектировании  производственных зданий предпочтение  следует отдавать их блокировке  в единые корпуса. Наиболее целесообразно  возводить большепролетные здания  с размещением оборудования на  этажерках, которые не связаны с каркасом здания.

 Для ограждающих конструкций  применяют слоистые элементы  из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уделять  воздухонепроницаемости конструкций  – в местах соединения элементов и в стыках панелей.

 

5.2. Первый принцип  проектирования фундаментов на  вечномёрзлых грунтах

 Существуют два принципа  проектирования сооружений на  вечномёрзлых грунтах. Первый принцип  заключается в сохранении вечномёрзлого  состояния грунтов.

 

 Данный принцип или  метод целесообразно применять  в тех районах, где:

• Многолетнемёрзлый грунт имеет значительную мощность;
• Сооружения выделяют значительные количества тепла и не занимают больших площадей в плане.

Расчётно-теоретическое и конструктивное обоснование этого принципа было произведено в конце 20-х годов прошлого века. Однако по такому методу строили здания ещё раньше (Чита, Иркутск, Хабаровск). В настоящее же время этот метод является общепризнанным и универсальным, поскольку позволяет наилучшим образом использовать высокие строительные качества любых мёрзлых грунтов. По этому методу построено много промышленных сооружений и целые города (Норильск).

 

 Сущность данного принципа  заключается в том, что фундаменты  здания прорезают деятельный  слой и не менее метра заглубляются  в слой многолетнемёрзлого грунта. С боковой поверхности (обратная  засыпка) фундаменты засыпаются  непучинистым грунтом, а между приподнятым над поверхностью грунта полом первого этажа (примерно на 1 м) и грунтом, в конструкции фундамента, устраиваются продухи (см. схему 24).

 

Схема 24. устройства фундаментов на вечномёрзлых грунтах по первому принципу строительства.

 

Продухи представляют собой проёмы, расположенные по периметру здания, предназначенные для пропуска холодного воздуха, выносящего тепловые потоки здания от помещений первого этажа.

 

 В результате наблюдений  за зданиями, фундаменты которых  были возведены по принципу  сохранения вечной мерзлоты, было  установлено, что граница многолетней  мерзлоты под зданиями со временем  поднимается (отсутствие растительности, солнечной радиации). Это способствует  ещё большей устойчивости зданий (см. схему 25).

 

Схема 25. наиболее вероятного изменения кровли вечной мерзлоты под эксплуатируемым зданием, построенном по первому принципу - сохранения мерзлоты.

Стремясь как можно больше снизить влияния теплового выделения здания на мёрзлые грунты, прибегают к проектированию зданий на столбчатых и свайных фундаментах. Наиболее универсальными являются железобетонные сваи; металлические сваи применяются только при соответствующем обосновании. Для малоответственных сооружений возможно применение деревянных свай. Применение ленточных фундаментов и в виде сплошных плит допускается для малоэтажных зданий и сооружений на подсыпках из дренирующего материала (песка, гравия, щебня и т.п.).

 

 Устойчивость фундаментов  запроектированных на вечномерзлых  грунтах по первому принципу  строительства, в соответствии с  примятыми обозначениями на схеме, определяется из условия (см. схему 26):

• где Q – нормативная сила, удерживающая фундамент от выпучивания, вследствие смерзания его боковой поверхности с многолетнемёрзлым грунтом;
• N – нормативная нагрузка от веса сооружения;
• τсм – касательные силы пучения - нормативная величина сил смерзания грунта к боковой поверхности фундамента, кг /см2;
• q – нормативная нагрузка от веса сооружения и грунта на его уступах;
• γс – коэффициент однородности и условий работы.
• γ1 – коэффициент перегрузки постоянной нагрузки равный 0,9;
• γ2 – коэффициент перегрузки сил пучения равный 1,1.

Расчётная схема 26. отдельностоящих и свайных фундаментов при расчёте их на устойчивость в вечномёрзлом слое грунта.

 

В правой части приведённого неравенства представлены силы, стремящиеся деформировать сооружение вверх, нарушая его устойчивость. Для нейтрализации данных воздействий рекомендуется использовать специальные мероприятия по их уменьшению (создание не пучинистых обсыпок, обмазок и т.п.).

 

 

 

5.3. Второй принцип  проектирования фундаментов на  вечномёрзлых грунтах. Конструктивный  метод

 

 Второй принцип проектирования  фундаментов на вечномёрзлых  грунтах заключается в допущении  протаивания грунта под зданием. Данный принцип осуществляется двумя методами: конструктивным и методом предпостроечного оттаивания. Рассмотрим эти методы подробнее.

 

 Конструктивный метод  заключается в приспособлении  конструкций фундаментов и самих  строений к неравномерной осадке  оттаивающих грунтовых оснований.

 Данный метод применяется  в следующих случаях:

• температура вечномерзлой толщи грунтов близка к «0°C»;
• мёрзлый грунт при оттаивании становится относительно малопросадочным основанием S ≤ Su (гравелистые, щебёночные или песчаные грунты).

Следует подчеркнуть, что в этом случае под зданием с течением времени эксплуатации в результате действия тепловых потоков здания, образуется чаша оттаивания в многолетней мерзлоте (см. схему 27). Формирование чаши оттаивания может продолжаться десятки лет, что подтверждается теплотехническими расчётами.

 

Схема 27. формирования чаши оттаивания в многолетней мерзлоте под пятном застройки здания при строительстве его по второму принципу.

 

В результате построенное здание будет находиться в условиях неравномерной осадки, возникает высокая вероятность развитие деформаций с образованием трещин в надземных конструкциях.

 

Для того чтобы здание могло удовлетворительно эксплуатироваться в подобных условиях должны быть выполнены условия по приспособлению его к неравномерным деформациям (повышение жёсткости здания).

 

 Если величина проектных  осадок окажется больше предельных  величин, то переходят ко второму  методу строительства, допускающего  протаивание грунтов вечной мерзлоты под зданием.

 

5.4. Второй принцип  проектирования фундаментов на  вечномёрзлых грунтах. Метод предпостроечного оттаивания

 В данном случае  уменьшение осадки оттаявших  грунтов осуществляется путём  предварительного уплотнения под  действием собственного веса (см. метод электроосмоса в механике грунтов).

 

 Метод предпостроечного оттаивания применяется в следующих случаях:

• основание сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом состоянии грунты;
• проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла (неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства зависит:

• от особенностей возводимых сооружений;
• геокриологических условий места постройки.

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

 

 Нельзя сочетать эти  принципы, как для соседних зданий  и сооружений, так и для сооружений, расположенных в одном и том  же районе. И особенно это относится для отдельного сооружения.

 

 Примеры негативного  последствия совмещения принципа сохранения вечномерзлого грунта и допущение оттаивания этого же грунта, приведены на следующих фотографиях.

 

 В данном случае  вначале здание детского сада в г.Чите было построено по принципу сохранения линзы вечномерзлого грунта. После нескольких лет благополучной эксплуатации этого здания, решили пристроить к зданию столовую. Пристройку выполнили без учета линзы вечномерзлого грунта. В результате, через год эксплуатации такого сооружения, возникла аварийная ситуация, которая видна на представленных фотографии 1.

 

Фотография 1. развития аварийной ситуации для здания детского сада (г. Чита), возникшей в результате оттаивания линзы многолетней мерзлоты.

 

Не учет наличия вечномерзлых грунтов, часто приводит к возникновению и развитию значительных (недопустимых) осадок сооружений и появлению трещин в надземных конструкциях.

 

 На фото 2. представлено  здание приспособленное к неравномерным деформациям способом устройства металлических поясов жёсткости в уровне каждого перекрытия. Причина подобных усилений - развитие неравномерных осадок, вследствие оттаивания линзы многолетней мерзлоты.

 

Фотография 2.

 

Воспринять неравномерные осадки оттаивающих оснований можно повышенной жесткостью надземных конструкций. В этом случае, как показано на данной фотографии, по периметру здания в уровне перекрытий устраивают металлические пояса жесткости, воспринимающие неравномерные деформации конструкций стен.

 

Такое усиление является противоаварийным мероприятием, выполняется по специальному проекту и требует значительных затрат.

 

 

Разрушение жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Будучи во многих районах не только современным образованием, но и реликтом ледниковых эпох, многолетняя мерзлота сохраняется по сей день благодаря резко континентальному климату с продолжительной холодной и малоснежной зимой. Негативные последствия климатического потепления будут отмечаться на всей территории криолитозоны: усиление деградации мерзлых толщ как по вертикали, так и в плане; нарушение функционирования природно-технических систем, при проектировании которых не была учтена возможность глобального потепления климата и деградации мерзлоты. На территории, где вечномерзлые породы относительно стабильны из-за высокой льдистости верхнего горизонта мерзлых пород даже небольшое увеличение глубины сезонного протаивания приведет к активизации таких разрушительных мерзлотных процессов, как термокарст, термоэрозия и солифлюкция. Усилятся процессы разрушения береговых уступов арктических морей. Экономика Севера потребует дополнительных затрат для обеспечения сохранности мерзлого основания зданий и инженерных сооружений.