Возведение фундаментов на вечномерзлых грунтах

Многолетнемерзлые грунты

многолетнемерзлый фундамент опора свайный

Северо-восточная территория России (севернее 65 ошироты) представлена многолетнемёрзлыми грунтами, находящимися в мёрзлом состоянии длительное время, т.е. в течение многих тысячелетий, которые летом оттаивают на небольшую глубину (1…3 м). Такие грунты исследованы российскими учёными, в числе которых Н.А. Цытович - основоположник мерзлотоведения, М.И. Сумгин, Ю.К. Зарецкий, И.А. Тютюнов, С.С. Вялов, Г.В. Порхаев, Р.С. Зиангиров и др. Результаты их исследований положены в основу СНиП на проектирование оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах, а также ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

Многолетнемёрзлые грунты вследствие наличия в них льдо-цементных связей при сохранении отрицательной температуры грунтов являются достаточно прочными природными образованиями. Однако при оттаивании порового льда по мере застройки территорий структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, грунт переувлажняется талой водой и превращается в разжиженную массу, не способную обеспечить геостойкость построенных зданий, сооружений, как результат проявления тепловой просадки бывших многолетнемёрзлых грунтов.

Многолетнемёрзлые грунты, или вечная мерзлота по старой терминологии, образовалась около 0,7 млн. лет назад во времена раннего плейстоцена в процессе похолодания на Земле, вызвавшего надвигание огромных масс льда на сушу из морей и океанов. Затем произошло потепление и оттаивание. Это повторялось периодически, причины которого не выяснены.

Площадь распространения многолетнемёрзлых гру нтов составляет около 1/4 всей суши земного шара и около 65% площади России. Первая информация о существовании мёрзлых пород появилась в 16 в. Лишь в 19 в. возникла наука - мерзлотоведение, или геокриология, предметом изучения которой является криолитозона - часть земной коры, содержащая мёрзлые и морозные породы.

Максимальная мощность многолетнемёрзлых толщ горных пород достигает 1300…1500 м, а отрицательная среднегодовая температура пород на глубинах 10…20 м от - 12 до - 15оС и ниже.

На основе мерзлотоведения грунтов, изученного вышеназванными учёными, сформулированы научные методы надёжного строительства зданий и сооружений на многолетнемёрзлых грунтах, а также прикладного использования искусственного замораживания грунтов в строительстве и горном деле, эффективно апробированного в 30…50 гг. 20 в. при проходке тоннелей в переувлажнённых грунтах, поскольку ещё не были разработаны новые технические решения (стена в грунте, напрягаемый анкер, струйная цементация).

 

Требования для столбчатых конструкций

 

На вечномерзлых грунтах, используемых по принципу I, столбчатые конструкции допускается применять для мостов при выполнении следующих требований:

) вечномерзлые грунты в районе мостового перехода должны быть, как правило, сплошными по распространению, сливающимися со слоем сезонного промерзания;

) определяемая по результатам изысканий температура на уровне нулевых годовых амплитуд (на глубине 10 м от поверхности грунтов) должна быть не выше минус 1,5° С при незасоленных глинистых грунтах в зоне заделки столбов и не выше минус 1,0° С при незасоленных песчаных грунтах;

) предусмотренные проектом специальные мероприятия (пропуск воды со скоростями, не превышающими естественные, а при больших скоростях соответствующее укрепление дна водостока) должны исключать возможность размыва дна русла и обеспечивать сосредоточенный пропуск меженных вод;

) пазухи котлованов столбчатых фундаментов с ростверком, заглубленным в грунт, должны засыпаться местным (из слоя сезонного оттаивания) грунтом с послойным уплотнением;

) низ столбов, заглубленных в грунты, сохраняющиеся в твердомерзлом состоянии, должен располагаться минимум на 4 м выше поверхности подземных льдов или льдистых грунтов. Если это условие не может быть выполнено, то такие грунты или льды следует, как правило, прорезать столбами, погрузив их низ в несущий слой мерзлого грунта на глубину, определяемую расчетом;

) конусы устоев должны отсыпаться из песка, крупнообломочных отложений или горной массы. Для сохранения твердомерзлого состояния грунтов в основании фундаментов устоев поверхность конусов рекомендуется обсыпать слоем камня толщиной 0,8-1 м;

) для обоснованного увеличения расчетного диаметра столбов до диаметра скважин нижнюю часть боковой поверхности столбов на длине не менее 4 м следует выполнять гофрированной по типу, принятому в применяемом проекте столбчатых конструкций;

) для заделки столбов в скважинах должны использоваться цементно-песчаный или цементно-шламовый раствор (смесь цемента с буровым шламом) без противоморозных добавок либо водонасыщенный уплотненный песок;

) для безопасного пропуска нагрузок по мосту в периоды строительства и эксплуатации дороги необходимо обязательно предусмотреть время на смерзание столбов с окружающим грунтом. Продолжительность смерзания столбов с грунтом должна назначаться с учетом температуры вечномерзлых грунтов, температуры воздуха в период строительства фундаментов, скорости бурения скважин, температуры применяемой технологической воды и влияния других факторов;

) для контроля за ходом смерзания столбов фундамента с окружающим грунтом необходимо опустить термотрубку диаметром 5 см в зазор между боковой поверхностью скважины и последним по времени установки столбом;

) устанавливать пролетные строения и пропускать по мосту нагрузку следует после достижения вечномерзлыми грунтами на контакте с боковой поверхностью столбов среднего значения температуры, соответствующего переходу этих грунтов в твердомерзлое состояние. Регулярный пропуск по мосту подвижной нагрузки разрешается после наступления полного смерзания столбов с вечномерзлыми грунтами, характеризуемого понижением температуры грунтов на контакте со столбами до значений, принятых в расчетах несущей способности фундаментов.

 

Многолетнемерзлые грунты

многолетнемерзлый фундамент опора свайный

Северо-восточная территория России (севернее 65 ошироты) представлена многолетнемёрзлыми грунтами, находящимися в мёрзлом состоянии длительное время, т.е. в течение многих тысячелетий, которые летом оттаивают на небольшую глубину (1…3 м). Такие грунты исследованы российскими учёными, в числе которых Н.А. Цытович - основоположник мерзлотоведения, М.И. Сумгин, Ю.К. Зарецкий, И.А. Тютюнов, С.С. Вялов, Г.В. Порхаев, Р.С. Зиангиров и др. Результаты их исследований положены в основу СНиП на проектирование оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах, а также ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

Многолетнемёрзлые грунты вследствие наличия в них льдо-цементных связей при сохранении отрицательной температуры грунтов являются достаточно прочными природными образованиями. Однако при оттаивании порового льда по мере застройки территорий структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, грунт переувлажняется талой водой и превращается в разжиженную массу, не способную обеспечить геостойкость построенных зданий, сооружений, как результат проявления тепловой просадки бывших многолетнемёрзлых грунтов.

Многолетнемёрзлые грунты, или вечная мерзлота по старой терминологии, образовалась около 0,7 млн. лет назад во времена раннего плейстоцена в процессе похолодания на Земле, вызвавшего надвигание огромных масс льда на сушу из морей и океанов. Затем произошло потепление и оттаивание. Это повторялось периодически, причины которого не выяснены.

Площадь распространения многолетнемёрзлых гру нтов составляет около 1/4 всей суши земного шара и около 65% площади России. Первая информация о существовании мёрзлых пород появилась в 16 в. Лишь в 19 в. возникла наука - мерзлотоведение, или геокриология, предметом изучения которой является криолитозона - часть земной коры, содержащая мёрзлые и морозные породы.

Максимальная мощность многолетнемёрзлых толщ горных пород достигает 1300…1500 м, а отрицательная среднегодовая температура пород на глубинах 10…20 м от - 12 до - 15оС и ниже.

На основе мерзлотоведения грунтов, изученного вышеназванными учёными, сформулированы научные методы надёжного строительства зданий и сооружений на многолетнемёрзлых грунтах, а также прикладного использования искусственного замораживания грунтов в строительстве и горном деле, эффективно апробированного в 30…50 гг. 20 в. при проходке тоннелей в переувлажнённых грунтах, поскольку ещё не были разработаны новые технические решения (стена в грунте, напрягаемый анкер, струйная цементация).

 

Возведение фундаментов на вечномерзлых грунтах

 

Подлежащие возведению на вечномерзлых грунтах фундаменты сооружений необходимо проектировать на основе результатов инженерно-геокриологических (инженерно-геологических, мерзлотных и гидрогеологических) изысканий и исследований, выполненных в соответствии с требованиями действующих СНиП, государственных стандартов и других нормативных документов по инженерным изысканиям, и исследованиям грунтов для строительных целей, при обязательном учете особенностей конструкций и условий эксплуатации проектируемых сооружений, в том числе: теплового и механического взаимодействия сооружений с грунтами основания; размеров, вида конструкций и режима эксплуатации сооружений; действующих на фундаменты нагрузок.

Материалы инженерно-геокриологических изысканий должны включать:

) данные, характеризующие инженерно-геокриологические условия строительной площадки (распространение по площади и глубину залегания вечномерзлых грунтов, характер напластования и температурный режим грунтов, толщину слоя сезонного оттаивания и промерзания, сведения о климатических условиях района строительства, о характере включений, режиме грунтовых вод, термокарстах и др.);

) результаты полевых и лабораторных исследований и испытаний грунтов, отражающие их литологические типы, криогенное строение, физические и механические свойства в талом и мерзлом состояниях (для нескальных грунтов: плотность, влажность, льдистость, просадочность при оттаивании, угол внутреннего трения, сцепление, теплоемкость, теплопроводность; для скальных грунтов: степень выветрелости и трещиноватости, предел прочности на одноосное сжатие, коэффициент размягчаемости в воде);

) исходные данные, необходимые для прогнозирования возможных изменений мерзлотных и гидрогеологических условий строительной площадки (в дополнение к перечисленным данным сведения о продолжительности периодов и значениях положительных и отрицательных температур воздуха, толщине снежного покрова, мохово-растительном покрове);

) исходные данные и требования, необходимые для разработки мероприятий по охране окружающей природной среды, подлежащих включению в проект сооружения, а также в проект организации и производства строительных работ (с целью, обеспечения максимальной сохранности мохово-растительного покрова, деревьев, кустарников, минимальных нарушений естественных условий протекания водотоков).

В период полевых изысканий должны быть собраны сведения о наличии наледей и оценена возможность их образования в местах постройки, сооружений, данные о паводках, проходящих по руслу, покрытому льдом.

В комплекс изысканий необходимо включать анализ опубликованных сведений и имеющихся материалов ранее проведенных изысканий и обследований мерзлотно-грунтовых условий интересующего района, а также сведений об опыте строительства и эксплуатации аналогичных сооружений в подобных условиях.

Номенклатуру грунтов оснований в описаниях результатов изысканий и в проектах фундаментов принимают согласно ГОСТ 25100-82.

При проектировании и строительстве фундаментов сооружений ориентируются на два характерных состояния вечномерзлых грунтов: мерзлое и немерзлое. В связи с этим различают два принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений, включая мосты: I - грунты основания используют в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации сооружения; II - грунты основания используют в оттаивающем (в период эксплуатации сооружения) или в оттаявшем (до начала возведения сооружения) состоянии.

Принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов выбирают исходя из местных климатических и инженерно-геокриологических условий, глубины заложения и особенностей конструкции фундаментов, результатов технико-экономических расчетов, связанных с выбором оптимального типа фундаментов.

На принцип I ориентируются в случаях, когда имеется обоснованная необходимыми расчетами уверенность в сохранении мерзлого состояния грунтов в основании фундаментов мостов в течение всего периода их эксплуатации, как правило, без применения охлаждающих установок. Охлаждающие установки или каменные обсыпки конусов устоев могут использоваться для предотвращения возможности существенного повышения температуры вечномерзлых грунтов (по сравнению с принятой в расчетах) в период эксплуатации сооружений. Для принятия решения об использовании грунтов основания по принципу I необходимо в процессе проведения инженерно-геокриологических изысканий обеспечить получение достоверных данных о температуре грунтов на глубине 10-12 м (от естественной поверхности) и о слиянии слоя сезонного оттаивания с вечномерзлыми грунтами в месте проектируемого сооружения.

По принципу II используют вечномерзлые грунты исходя из условия их полного оттаивания независимо от температуры в период постройки сооружений.

По сравнению с проектированием фундаментов зданий при проектировании фундаментов мостов необходимо учитывать влияние следующих факторов: воздействие на сооружения кроме вертикальных значительных горизонтальных сил от временных подвижных нагрузок и от давления грунта; уменьшение несущей способности оснований вследствие отепляющего действия воды на вечномерзлые грунты; увеличение осадки основания из-за пригрузки его весом высоких подходных участков насыпей; возрастание сил морозного пучения грунтов из-за повышения влажности их в местах возведения мостов через постоянные или периодически действующие водотоки; возможное появление наледей в пределах сооружения; нарушение устойчивости крутых склонов вследствие проявления оползневых процессов.

Вечномерзлые грунты в основании фундаментов всех опор малых мостов должны использоваться по одному из принципов.

В местах залегания вечномерзлых грунтов с неровной или наклонной поверхностью фундаменты следует проектировать опирающимися полностью на мерзлые грунты, используемые по принципу I либо по принципу II, или же на расположенные выше немерзлые грунты. Не допускается опирать фундаменты частью на мерзлые, а частью на немерзлые грунты.

В проектах фундаментов на вечномерзлых грунтах должны быть приведены характерные инженерно-геокриологические данные мостового перехода (геологические колонки, температура грунтов, сведения об уровнях поверхностных и подземных вод, наледях и т.п.), а для фундаментов из столбов или свай, кроме того, способ их погружения, а также условия, при которых разрешается загружать столбы и сваи после их заглубления в грунт.