Основы учёта вечномёрзлых грунтов при проектировании, строительстве и эксплуатации искусственных сооружений

 Основы учёта вечномёрзлых грунтов при проектировании, строительстве и эксплуатации искусственных сооружений

Вечномёрзлое состояние грунтов, используемых в качестве оснований, учитывают на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации искусственных и других сооружений. Особенно важное значение имеет этот учёт для глинистых и заторфованых вечномёрзлых грунтов, дающих при оттаивании (или повышении температуры) значительную осадку и снижение прочностных свойств.

Учёт вечномёрзлого состояния грунтов на стадии проектирования, состоит, прежде всего, в прогнозировании температурного состояния грунтов на период строительства и эксплуатации сооружения.

Выбирают один из двух принципов использования вечномёрзлого грунта в качестве основания сооружения:

• принцип I – грунт используется в мёрзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации;
• принцип II – грунт используется в оттаянном или оттаивающем состоянии (т. е. используется с его предварительным оттаиванием на расчётную глубину до начала возведения сооружения или с допущением его оттаивания в период эксплуатации сооружения).

Выбор принципа основывают на экономических соображениях и результатах теплотехнического расчёта.

Использование принципа I, как правило, более эффективно с точки зрения стоимости фундаментов сооружения, так как вечномёрзлые грунты по строительным свойствам близки к скальным грунтам. Но для сохранения вечномёрзлого состояния грунтов основания, как правило, необходимы специальные мероприятия, стоимость которых может быть значительной. Поэтому суммарная стоимость сооружения, запроектированного по принципу I, может быть большей, чем запроектированного по принципу II.

Использование принципа I возможно лишь при гарантии сохранения вечномёрзлого состояния грунтов в течение всего периода эксплуатации сооружения. Эта гарантия обосновывается теплотехническим расчётом. Задача теплотехнического расчёта состоит в прогнозе температурного состояния грунтов основания сооружения при конкретных мерзлотных, климатических и других условиях в период строительства и эксплуатации сооружения.

Результаты теплотехнических расчётов и практика эксплуатации показывают, что при использовании в районах вечной мерзлоты традиционных конструктивных решений опор мостов и водопропускных труб (применяемых в обычных условиях) вечная мерзлота в основании, как правило, не сохраняется (или происходит повышение её температуры). Происходит это по причине, указанной в п. 5.1.2. Поэтому на стадии проектирования нового сооружения в целях обеспечения условий сохранения вечной мерзлоты производят выбор рационального с этой точки зрения типа сооружения, применяют специальные конструктивные мероприятия, направленные на сохранение мерзлоты, применяют специальные охлаждающие установки.

Тип моста или трубы выбирают из типовых конструкций, разработанных для районов распространения вечномёрзлых грунтов. Так, для малого или среднего моста могут быть использованы конструкции “Типового проекта сборных железобетонных мостов пролётами до 15 м под железную дорогу нормальной колеи для применения в Северной строительно-климатической зоне” (инв. № 827*/1), разработанного в 1972 году для опытного применения. В этом типовом проекте содержатся конструкции опор мостов с фундаментами мелкого заложения, свайными, стоечными. Кроме этого типового проекта, на БАМе например, для возведения мостов на вечномёрзлых грунтах широко применялся “Проект столбчатых опор и фундаментов железнодорожных мостов пролётами до 33 м для Северной строительно-климатической зоны” (инв. № 1067).

Типовых проектов водопропускных труб, предназначенных для возведения на вечномёрзлых грунтах, нет. По этой причине на БАМе для возведения водопропускных труб, возводимых на вечномёрзлых грунтах, широко применялись опытные конструктивные решения. Опытные конструктивные решения на БАМе применены и для ряда мостов.

В качестве специальных конструктивных мероприятий, направленных на сохранение грунтов основания в мёрзлом состоянии, на БАМе в опытном порядке применяли каменную наброску на конусах моста и откосах подходных насыпей, устройство полостей под насадками столбчатых устоев, устройство продухов в насадках опор и другие мероприятия.

В случаях, когда типовые проекты мостов и труб применить по местным условиям нельзя, а специальных конструктивных мероприятий недостаточно для сохранения мёрзлого состояния грунтов в основании сооружения в течение всего периода эксплуатации, применяютспециальные охлаждающие установки (ОУ), располагаемые у опор мостов и оголовков водопропускных труб или в самих конструкциях опор и фундаментов. На БАМе, например, применялись ОУ системы Гапеева. Для этих же целей предназначены саморегулирующие жидкостные охлаждающие устройства (СОУ) системы Макарова. За рубежом для этих целей применяют сваи Лонга.

Основания из оттаивающих вечномёрзлых грунтов, дающих при оттаивании значительные осадки, и из вечномёрзлых грунтов, находящихся в пластично-мёрзлом состоянии, рассчитывают по прочности и деформациям в соответствии с указаниями СНиП “Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах”.

Учёт вечномёрзлого состояния грунтов на стадии строительства состоит, прежде всего, в выборе приемлемого с точки зрения сохранения мерзлоты способа производства работ по возведению фундаментов сооружения (способы разработки котлованов, погружения свай, столбов, бетонирования фундаментов и плит ростверков и т. д.). Кроме того, выбирают рациональный с той же точки зрения период года для выполнения строительных работ.

Наиболее рациональным для сохранения мёрзлого состояния грунтов в основании сооружения, как правило, является зимний период, так как в этом случае за период строительства происходит интенсивное накопление отрицательных температур в грунте. Этот способ возведения широко применялся, например, при возведении фундаментов опор мостов и водопропускных труб при строительстве Забайкальской железной дороги, а также при строительстве БАМа в 30–50-е гг. прошлого века.

Учёт вечной мерзлоты на стадии эксплуатации сооружения сводится к мониторингу температурного состояния грунтов основания в зоне сооружения. В случае же, если возникли деформации фундаментов сооружения, то усиливают надзор за сооружением, принимают меры по сохранению или восстановлению мёрзлого состояния грунтов в основании сооружения.

Мониторинг за температурным состоянием грунтов в основании сооружения осуществляют путём выполнения периодических замеров температур грунта в специальных термометрических скважинах. Если такие скважины не были устроены при строительстве сооружения, то их устраивают в период его эксплуатации.

В период эксплуатации, в целях сохранения или восстановления мёрзлого состояния грунтов в основании сооружения, могут быть применены следующие мероприятия: ликвидация застоя воды в зоне сооружения, подсыпка грунта в русло, устройство каменной наброски на конусах моста и откосах прилегающей насыпи. Охлаждающий эффект, больший, чем перечисленные выше мероприятия, могут дать ОУ или СОУ, установленные в зоне фундаментов сооружения.

Влияние вечномёрзлых грунтов на сооружения. Влияние сооружений на вечномёрзлые грунты

Деформативные и прочностные свойства вечномёрзлых грунтов, используемых в качестве оснований искусственных и других сооружений, существенно зависят от их температурного состояния.

Практически все грунты, сохраняющие свое мёрзлое состояние в период строительства и последующей эксплуатации, являются надёжным основанием для искусственных и других сооружений.

Твёрдомёрзлые грунты рассматривают как практически несжимаемые. Пластично-мёрзлые грунты, содержащие повышенное количество незамёрзшей воды, обладают значительной сжимаемостью.

Вечномёрзлые монолитные скальные грунты при изменении отрицательной температуры на положительную, как правило, не меняют свои прочностные свойства и не дают осадки. Сыпучемёрзлые крупнообломочные и песчаные грунты при оттаивании также, как правило, не меняют свои прочностные свойства и не дают осадки.

Вечномёрзлые выветрелые скальные, крупнообломочные, гравийно-галечниковые и щебенистые грунты, трещины и поры которых заполнены льдом, при оттаивании могут давать значительную осадку. Такая деформация свойственна грунтам с большим содержанием льда в виде корок, обволакивающих крупные обломки. В качестве надёжного основания эти грунты могут быть использованы лишь после оттаивания. Значительную осадку при оттаивании могут давать и песчаные грунты.

Вечномёрзлые глинистые и заторфованные грунты являются надёжным основанием для сооружений только в случае, когда находятся в твёрдомёрзлом состоянии. В таком состоянии они прочно сцементированы льдом и практически несжимаемы под нагрузками. В случае пребывания в пластично-мёрзлом состоянии, они обладают вязкими свойствами и дают осадку под нагрузками от сооружений. При оттаивании же вечномёрзлые глинистые и заторфованные грунты наиболее ненадёжны в качестве основания сооружения, так как в этом случае они кроме значительной осадки дают и значительное снижение прочности. Последнее проявляется в том, что оттаявшие глинистые и торфяные грунты под нагрузкой подвержены осадке консолидации и пластическим деформациям. Причём наиболее неблагоприятными в качестве оснований являются заторфованные грунты. От аналогичных незаторфованных вечномёрзлых грунтов они отличаются тем, что при оттаивании резко снижают несущую способность и дают большие осадки.

Вместе с тем и сооружения оказывают влияние на вечномёрзлые грунты. При возведении на них сооружений в большинстве случаев создаются условия для повышения температуры, а также оттаивания грунта со стороны верхней границы мерзлоты. Последнее явление получило название “деградация вечной мерзлоты”. Такое воздействие сооружений на первоначальную природную среду называют техногенным воздействием. Сущность такого воздействия состоит в нарушении в период строительства и эксплуатации сооружения сложившихся естественных условий теплообмена в системе “атмосфера–грунт”.

Основными факторами, обусловливающими изменение с постройкой сооружений естественных условий теплообмена, являются:

• удаление мохорастительного покрова и устройство укреплений русел в зоне сооружения, вследствие чего уменьшается испарение с поверхности грунтов;
• увеличение воздействия прямой солнечной радиации на поверхностях большинства элементов искусственных сооружений и прилегающих к ним насыпей;
• изменение естественного режима водотока в зоне сооружения вследствие вертикальных и горизонтальных планировок русел, подсыпок из дренирующих грунтов, подрезок естественных слоёв грунта, наличия неубранного строительного мусора;
• изменение естественного режима грунтовых вод в зоне сооружения главным образом вследствие устройства фундаментов, преграждающих или стесняющих грунтовый поток в зоне сооружения;
• повышенное отложение снега и изменение ветрового режима у сооружений;
• отепляющий эффект прилегающих к искусственным сооружениям насыпей;
• увеличение глубины сезонного промерзания и оттаивания у сооружения вследствие включения в грунт больших массивов фундаментов из бетонной или каменной кладки, имеющей отличные от грунта теплофизические характеристики.

Опыт эксплуатации мостов и труб, построенных на Забайкальской железной дороге в конце позапрошлого и начале прошлого века, показал, что вечная мерзлота при массивных конструкциях искусственных сооружений может оттаивать (деградировать) или повышается её температура. Оттаивание же в основании сооружения мерзлоты при просадочных при оттаивании вечномёрзлых грунтах приводит к деформациям сооружений. Опоры мостов претерпевают осадки и перекосы (вследствие неравномерности оттаивания). В водопропускных трубах возникают растяжка трубы, просадки и крены звеньев и оголовков. Эти деформации часто обусловливают возникновение в элементах сооружений трещин и сколов, других повреждений.

Кроме того, деградация мерзлоты обусловливает понижение поверхности грунта в зоне мостов и труб. Последнее же является причиной образования застоев воды у сооружений со всеми вытекающими из этого неблагоприятными последствиями. Одним из таких последствий застоев воды является ускорение процесса деградации вечной мерзлоты в зоне сооружения.

Застои воды и деградация вечной мерзлоты ухудшают условия работы фундаментов сооружений на воздействие сил морозного пучения грунтов.