3.1. При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:
принцип I — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;
принцип II — вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).
3.2. Принцип I следует применять, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзлыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района следует принимать, как правило, использование вечномерзлых грунтов по принципу I.
Строительство на вечной мерзлоте. Свайные фундаменты. Вечная мерзлота
При строительстве на пластичномерзлых грунтах следует, как правило, предусматривать мероприятия по понижению температуры (пп. 3.10-3.13) до установленных расчетом значений, а также учитывать в расчетах оснований пластические деформации этих грунтов под нагрузкой согласно указаниям пп. 4.20-4.22.
3.3. Принцип II следует применять при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов, деформация которых при оттаивании не превышают предельно допустимых значений для проектируемого сооружения, при несплошном распространении вечномерзлых грунтов, а также в тех случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооружения и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уровень надежности строительства.
3.4. Выбор принципаиспользования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений, а также способов и средств, необходимых для обеспечения принятого в проекте температурного режима грунтов, следует производить на основании сравнительных технико-экономических расчетов.
3.5. В пределах застраиваемой территории (промышленный узел, поселок, городской микрорайон и т. д.) надлежит предусматривать, как правило, один принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований. Это требование следует учитывать также при проектировании новых и реконструкции существующих зданий и сооружений на застроенной территории, размещении мобильных (временных) зданий и прокладке инженерно-технических сетей.
Применение разных принципов использования вечномерзлых грунтов в пределах застраиваемой территории допускается на обособленных по рельефу и другим природным условиям участках, а в необходимых случаях — на природно-необособленных участках, если предусмотрены и подтверждены расчетом специальные меры по обеспечению расчетного теплового режима грунтов в основании соседних зданий, возведенных (или возводимых) по принципу I (резервирование зон безопасности, устройство мерзлотных и противофильтрационных завес и т. п.).
3.6. Линейные сооружениядопускается проектировать с применением на отдельных участках трассы разных принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания. При этом следует предусматривать меры по приспособлению их конструкций к неравномерным деформациям основания в местах перехода от одного участка к другому, а при прокладке их в пределах застраиваемой территории следует соблюдать требования, предусмотренные п. 3.5.
Подробнее по первому принципу:
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).
Схема 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).
Схема 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.
Устойчивость фундаментов запроектированных на вечномерзлых грунтах по первому принципу строительства, в соответствии с примятыми обозначениями на схеме, определяется из условия (см. схему):
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 /см 2 ;
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 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.).
Источник: megalektsii.ru
Строительство в условиях вечномёрзлых грунтов
Северная строительно-климатическая зона включает районы Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока. Она отличается широким диапазоном изменения температур и влажности воздуха, ветровых воздействий, ландшафта.
Вечномерзлые грунты имеют отрицательную или нулевую температуру, содержат в своем составе лед и находятся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Они имеют сплошное или островное распространение. В северных районах мощность их достигает 500 м. Поверхностный слой подвергается сезонному оттаиванию – промерзанию. По состоянию в природных условияхвечномерзлые грунты подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Инженерно-хозяйственная деятельность человека приводит к ослаблению вечной мерзлоты, к появлению термокарстовых явлений.
Тепловые загрязнения геологической среды в процессе хозяйственной деятельности часто являются причиной массовых деформаций зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Отепляющие воздействия инфраструктуры приводят к развитию термокарста. При чрезмерном охлаждении возможны деформации, вызванные морозобойным растрескиванием, пучением грунтов.
В состав мероприятий по инженерной подготовке территорий входит: вертикальная планировка; устройство дорог и прокладка коммуникаций, отвод поверхностных вод; осушение; недопущение затопления, образования термокарстов.
При строительстве на вечномерзлых грунтах применяют два основных принципа: I – грунты основания сохраняют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации; II – грунты основания используют в оттаявшем или в оттаивающем состоянии.
При строительстве по I принципу, несущие конструкции проектируют без учета их осадочных деформаций. Конструктивная система здания такая же, как и при строительстве в обычных условиях. Основным видом фундаментов являются свайные. Поверху свай устраивается сплошной ростверк. Допускается применение столбчатых железобетонных и монолитных бетонных фундаментов.
Сохранение вечномерзлого состояния грунтов при проектировании по принципу I достигается: возведением зданий на подсыпках; теплоизоляцией поверхности грунта под полом; устройством вентилируемых подполий; расположением на первом этаже неотапливаемых помещений; прокладкой под полом охлаждающих вентиляционных каналов; искусственным охлаждением грунтов.
Принцип I должен применяться, если грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах. Использование пластично мерзлых грунтов в качестве основания по принципу I допускается при условии понижения их температур.Принцип II должен применяться при наличии в основании скальных грунтов или вечномерзлых, деформация которых при оттаивании не превышает предельно допустимых значений для проектируемых сооружений и в тех случаях, когда это экономически оправдано. Уменьшение деформаций может быть достигнуто предварительным искусственным оттаиванием на заданную глубину, устройством грунтовых подушек, увеличением глубины заложения и прорезкой сильносжимаемых слоев с опиранием на малосжимаемое основание.
В отмечается, что возводимые системы неремонтнопригодны, т.е. работают до первого отказа. Предполагается создать ремонтнопригодные системы с управляемой величиной долговечности. Для этого в конструкциях зданий следует предусматривать возможность восстановления их первоначальных форм.
Регулирование теплового взаимодействия здания с основанием позволит повысить долговечность в несколько раз. Вентилируемое подполье позволяет стабилизировать верхнюю границу вечномерзлых грунтов. Режим вентиляции назначается из условия равенства глубины промерзания грунтов в подполье глубине их последующего оттаивания.При наличии в основании твердомерзлых грунтов основание рассчитывают только по первой группе предельных состояний.
9.Методы устройства шпунтовых ограждений и грунтовых перимычек.
Железные шпунты являются самыми распространенными, часто используется шпунтовое ограждение котлована из труб. Преимуществами данного вида ограждений являются надежность и доступная стоимость. Шпунты после завершения строительных работ извлекаются из земли, они являются многоразовыми и подлежат повторному использованию.
Деревянное шпунтовое ограждение котлована цена на которое достаточно низкая, также пользуется популярностью. Оно не подлежит использованию повторно, не может использоваться на твердых грунтах с остатками камней, старых затопленных деревьев, различного строительного мусора.
Бетонные шпунты стоимость выше, чем стоимость железных. Данный вид шпунтов остается в земле после окончания строительства, они становятся частью фундамента. Бетонные шпунты широко используются при строительстве многоэтажных домов.
Шпунты Ларсена широко применяются в строительстве, для их изготовлении используется металлический профиль высокого качества желобообразной формы с закругленными концами. Концы профиля также называют замками, так как они соединяются между собой и надежно защищают котлован от оползней. Шпунты Ларсена часто используются при строительстве мостов, дамб, причалов, а также при проведении других видов работ, которые нуждаются в надежном ограждении.
Существуетчетыре основных способа погружения в землю
1.- ударный, при его использовании сваи забиваются в грунт. Его применение не зависит от типа почвы.
2.- вибрационный, В условиях сухих и песчаных почв сваи погружаются при помощи вибропогружателя
4.- погружение в скважины, которые были пробурены заранее.
Грунтовые перемычки применяются для ограждения котлованов в открытых водоемах в тех случаях, когда необходимые для их возведения объемы грунтового материала находятся в непосредственной близости от места возведения перемычки. Работы по сооружению таких перемычек могут быть полностью механизированы и выполняться с большой производительностью.
Грунтовые перемычки проектируются как грунтовые плотины небольшой высоты и возводятся теми же методами. При этом необходим расчет их устойчивости с учетом как статических нагрузок, так и возникающих гидродинамических усилий. При выборе крутизны откосов необходимо учитьгоать возможность фильтрации воды в котлован через перемычку.
В связи с этим основание nepeiV№r4KH со стороны котлована должно быть выполнено таким образом, чтобы фильтрующий через перемычку поток не снижал его устойчивости. Фильтрационный расход и дождевые осадки должны собираться в специальные водосборные канавы и отводиться в сторону. Напорная грань перемычек со стороны водоема должна бьггь защищена от возможного разрушения. Для этой цели применяется каменная наброска или покрытие откоса фашинами.
10.Особенности технологии выторфовывания заболоченных територий.
Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов.
Насыпи на болотах в зависимости от типа болота, технической категории могут быть возведены:
— без выторфовывания с отсыпкой непосредственно на поверхности болота;
— после полного или частичного выторфовывания;
— с отсыпкой на слое торфа с последующей посадкой насыпи на минеральное дно болота;
— на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или вертикальных дрен
На болотах I типа возможно либо полное выторфовывание, либо частичное выторфовывание, либо обжатие торфа ( без предварительного выторфовывания1) при устройстве насыпи. Если применяются глинистые грунты, то в нижней части насыпи делают капиллярный прерыватель из песчаного грунта. Высота Я насыпи над поверхностью болота зависит от глубины V выторфовывания.
В первом случае насыпи погружаются путем собственного веса, или путем взрывания торфа, или путем выторфовывания предварительно осушенного болота. Во втором случае на минеральное дно болота опирается не вся насыпь, но только две призмы, находящиеся у краев. Третий способ работ применяется при значительной глубине болота или при наличии плотных и хорошо разложившихся торфов. Лучшим грунтом для возведения насыпей на болотах является гравелистый и крупный песок.
На болотах I и II типа глубиной более 3 м насыпь может быть уложена на торфяное основание без выторфовывания) либо с частичным выторфовыванием верхнего слоя горфяпой залежи, замедляющим осадку посыпки. Ширина насыпи назначается з зависимости от диаметра и габарита засыпки трубопровода и ширины эксплуатационного проезда.
На болотах I типа насыпи высотой до 3 м отсыпают при полной или частичной замене торфа в основании минеральным грунтом. Сумма величин высоты насыпи над поверхностью болота и глубины траншеи выторфовывания должна быть не менее 3 5 м для дорог I и II категорий и 3 м для дорог III категории.
Насыпи на болотах возводят по специальным профилям. Выбор их конструкции обосновывается технико-экономическими расчетами, которыми устанавливается необходимость полного или частичного выторфовывания болота, укладка еланей, устройство песчаных свай. Высота насыпи на болоте после ее осадки должна быть, считая от поверхности болота, не менее 0 8 м, если торф из-под насыпи удален, и не менее 1 2 м, если торф оставлен.
Поперечные профили насыпей на болотах устанавливают в зависимости от типа болота, его глубины, уклона минерального дна. Конструкцию земляного полотна при этом ( частичное или полное удаление торфа в основании, отсыпка насыпей без выторфовывания, сооружение насыпей на еланях или песчаных сваях) выбирают на основе технико-экономических расчетов с учетом типовых приемов проектирования, проверенных многолетней практикой.
Работы по возведению земляного полотна осуществляют круглогодично. В зимний период разрешается осуществлять следующие виды работ: разработку выемок и резервов в необводненных песках, галечно-гравийных и скальных грунтах; разработку выемок глубиной более 3 м в глинистых грунтах при влажности в пределах, указанных в СНиП 3.06.03 — 85 Автомобильные дороги; возведение насыпи из сосредоточенных резервов грунта; устройство насыпи из песчаных грунтов на болотах; выторфовывание.
Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов.
Следует различать три типа болот:
Iа — болота, заполненные торфом перекрытым сверху слоем минерального грунта, прочность грунтов в природном состоянии обеспечивает возможность возведения насыпи высотой до 3 м без возникновения процесса бокового выдавливания слабого грунта;
Iб -болота, сплошь заполненные торфом
IIа — болота, включающие слой торфа, подстилаемый слоем мергеля или или и перекрытый сверху слоем минерального грунта. При некоторой интенсивности возведения насыпи высотой до 3 м, но не выдавливается при меньшей интенсивности возведения насыпи;
IIб — болота, включающие слой торфа, подстилаемый мергелями или илом
Торф — горючее полезное ископаемое растительного происхождения.
Слой мергеля- каменистая порода формировавшаяся несколь тысяч лет
Источник: megaobuchalka.ru
Устройство и расчет фундаментов на вечномерзлых грунтах
Вечномёрзлый грунт
К вечномёрзлым грунтам относят мёрзлые почвы, которые находятся в этом состоянии на протяжении многих десятков лет и более. Ареалы с таким грунтовым основанием занимают значительные территории в России, Канаде, Аляске и Антарктиде. По приблизительным подсчётам вечная мерзлота занимает около четверти всей суши на Земле.
В России такие земли распространены на более трети всей территории страны. Это преимущественно северные и северо-восточные районы. Строительство зданий и сооружений, особенно возведение фундаментов в этих местах, имеет свою специфику.
Особенности вечномёрзлых грунтов
Возведённые фундаменты на вечномёрзлых грунтах (ВГ) имеют свои отличия из-за особых механических свойств геологических оснований. Признак вечномёрзлого грунта наблюдается при проведении изыскательских работ в наполненной льдом почве, толще покрова, зонах тектонических сдвигов.
Несущая способность ВГ зависит от механических свойств, так называемого «льдоцемента», изменения температурных циклов и прочих явлений. Чтобы произвести расчёт фундамента на вечномёрзлом грунте, необходимо произвести ряд геологических и мерзлотных изыскательских исследований.
Вечномёрзлые грунты скреплены, пронизывающими льдо-цементными связями, которые представляют собой вытянутые прожилки изо льда, проходящие через массив почвы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Во время наступления тёплого сезона льдо-цементные связи могут частично разрушаться (просто таять). В результате несущая способность грунтового основания существенно падает. В районах с такими условиями почва непригодна для строительства.
Большая площадь территорий ВГ существенно не меняют показатели несущей способности в зависимости от сезонных перепадов температуры воздуха. Для таких районов разработаны различные технологии возведения фундаментов для зданий и сооружений.
Территории с зонами вечной мерзлоты
Рассматривая толщу мёрзлых пород с точки зрения физико-механических свойств, выделяют 3 зоны:
- Верхние (покровные) отложения, содержащие в основной массе лёд.
- Коренная почва в области выветривания.
- Коренные породы, находящиеся в зоне горизонтов под мерзлотой.
Определение этих зон имеет большое влияние на получение результатов изыскательских работ. Толщина каждой области ВГ зависит от двух показателей – это геологическая структура и местный климат в:
- горных районах со складчатым рельефом толщина верхней зоны ВГ изменяется снизу вверх рельефа от 1 – 3 м до 20 м;
- поймах некоторых сибирских рек эта величина достигает от 100 до 200 м. В пойме реки Яна (Якутия) толщина верхней зоны превышает отметку 200 м;
- прибрежных районах Восточно-Сибирского моря мощность покровной зоны может составлять нескольких сотен метров.
Типы вечномёрзлых грунтов
К ВГ относят геологическую толщу, находящуюся в замёрзшем виде на протяжении нескольких тысяч лет. Характеристика и толщина слоёв ВГ в основном предопределены местными уровнем промерзания и годовой средней температурой окружающей среды. Поэтому в некотором районе на соседних участках толщины мёрзлого грунта могут существенно различаться или вообще отсутствовать.
ВГ по строению текстуры различают на несколько типов:
- слитная;
- слоистая;
- ячеистая (криогенная).
Слитная
Такая текстура ВГ состоит в основном из льдоцемента с отсутствием крупных включений. Изредка в такой почве встречаются мелкие гнездовые ледяные вкрапления. В большинстве случаев данная структура преобладает в крупнообломочных, гравелистых ипесчаных грунтах.
Слоистая
Мёрзлоестроение такого типа наблюдается в глинистых и песчаных пылеватых почвах. Такое свойство текстуры обычно встречается в наземных массивах ВГ толщиной от 12 до 27 м и более. Слоистое строение ВГ формируется в результате одностороннего замерзания переувлажнённой почвы, подпитанной миграционным водным подтоком из нижерасположенных слоев грунта. Такое основание практически не пригодно для строительства.
Ячеистая
Сетчатое строение ВГ это результат промерзания глинистых пылеватых грунтов. Этому способствует сильное переувлажнение массива со свободным подтоком воды. Грунты с ячеистой структурой обычно располагаются в верхней части деятельных слоёв.
Выбор строительной площадки
Местоположение строительной площадки определяется в соответствии с назначением возводимого здания и типом его конструкций. Строительная площадка выбирается без наличия наледи и отсутствия паводковых вод.
Участки земли, расположенные у подножия гор, зачастую насыщены наледями, вздутиями пучинистых грунтов и глубинными прожилками льда. На пологих склонах такие явления не наблюдаются. Такие участки наиболее приемлемы для строительства.
Для оценки пригодности участка под строительство производят геодезическую съёмку. Также делают съёмку окружающей местности. Это позволит обрисовать всю картину направления естественных водных потоков, возможность их отвода и устройства канализационных каналов.
Фундаменты на ВГ
К строительству зданий и сооружений, возведению фундаментов на ВГ предъявляют специальные требования. Это вызвано особыми характеристиками грунтовых оснований. Проектирование фундаментных оснований выполняют на основании проведённых инженерно-геологических изысканий. Изыскательские работы на ВГ называют геокриологическими.
В основном фундаменты на вечной мерзлоте проектируют глубоко заглублёнными основаниями. К таким основаниям относятся сваи. За редким исключением возводят ленточные и столбчатые фундаменты.
Инженерно-геологические изыскания
В расчётах несущей способности и особенностей конструкций оснований зданий и сооружений на ВГ используют данные результатов геокриологических исследований. Исследованиями занимаются специализированные проектные организации в соответствии с нормативной документацией. Нормативные документы включают в себя СНиПы, Госстандарт и другие рекомендации.
Результаты геокриологических изысканий включают в себя:
- характеристики геокриологических данных места строительства – площадь и глубина залегания ВГ, средняя температура, высота сезонного оттаивания грунта, уровень грунтовых вод и прочее;
- данные лабораторных исследований и испытаний образцов грунта в полевых условиях. На основании их делают выводы о механическом свойстве грунта как в мёрзлом, так и в талом состоянии, литологическом виде;
- результаты прогнозирования изменений мерзлотного и гидрогеологического состояния грунта в зависимости от сезонных изменений температур, толщины снеговых осадков, высоты деятельного слоя.
Принципы проектирования оснований строений на вечномёрзлых грунтах
Сегодня проектировщики для расчёта фундаментных оснований на ВГ применяют два основных метода проектирования фундаментов на многолетних мёрзлых грунтах (М.М).
Первый метод
Основан метод на сохранении температуры ВГ,не давая возможности оттаивания мерзлоты. Такой способ проектирования используют для районов с залеганием мощных пластов многолетних мёрзлых грунтов. Основные принципы метода были разработаны и осуществлены во втором десятилетии ХХ века. Хотя многие дома и строения в таких городах, как Иркутск, Чита и Хабаровск, были спроектированы и построены по такому принципу ещё в конце Х1Х века.
В основу этого способа включены следующие положения:
- подошва фундамента должна быть погружена в мерзлоту на глубину не меньше 1 м;
- под фундамент делают выемку грунта с таким расчётом, чтобы затем образовавшиеся пазухи заполнить непучинистой почвой;
- обратная засыпка по периметру основания строения в сечении представляет трапецию, обращённой меньшей вершиной вниз;
- строительные объекты должны иметь подполье высотой не менее 0,7 – 1 м;
- по периметру подполья в стенках устраивают технологические проёмы (продухи) для постоянного проветривания помещения.
Предназначение продухов заключается в том, что благодаря сквозным отверстиям, подполье постоянно проветривается. Воздушные потоки выносят наружу тёплый воздух и заносят воздушные массы с низкой температурой. Получается своеобразный холодильник, который не даёт проникнуть теплу от дома внутрь мёрзлого основания. Мёрзлый грунт сохраняет постоянную температуру и не теряет свою несущую способность.
В результате наблюдений на протяжении нескольких десятков лет, был сделан вывод о том, что граница вечной мерзлоты под зданием сдвигалась вверх. Это происходило вследствие отсутствия воздействия солнечной радиации, жизнедеятельности деятельного слоя (Д.С). На рисунке показано, как изменяется граница М.М:
Изменение границы кровли М.М под зданием
Устойчивость сооружения, спроектированного по 1-му принципу, определяет по формуле:
Q – сила, противостоящая выпучиванию грунта;
N – полная нагрузка от веса строения;
T – степень смерзания боковой грани фундамента с грунтом;
q – нагрузка от здания, направленная на уступы грунта;
Kc – к-нт однородности;
K1 – к-нт перегрузки (постоянная величина равная 0,9);
K2 – к-нт перегрузки от сил пучения (постоянная величина равная 1,1);
F – касательная сила пучения.
Второй принцип
Данный метод проектирования оснований зданий на ВГ допускает некоторое оттаивание почвы непосредственно под строением. Для этого применяют два способа:
- конструктивный;
- предпостроечный.
Конструктивный
Суть метода заключается в расчёте опорных конструкций зданий и сооружений с большим запасом прочности. Проект допускает неравномерную осадку сооружения в течение долгих лет эксплуатации.
Метод используют на участках с температурой массива ВГ около 0 о С не более. Под этот вид проектирования подходят участки с гравийной, щебёночной и песчаной почвой. Построенные дома своим тепловым воздействием способствуют образованию под ними чаши оттаивания. Формироваться такая чаша может в течение нескольких десятков лет.
Возможные деформации строения из-за образования чаши оттаивания
Такое явление создаёт условия неравномерной осадки, а это в свою очередь может угрожать целостности конструкций дома. Чтобы этого не происходило, проектные организации при расчётах фундаментов закладывают определённый запас прочности.
Предпостроечный
Применение данного метода проектирования обусловлено рядом причин:
- Многолетний мёрзлый грунт состоит из неоднородных пород с разными показателями сжатия, как в мёрзлом, так и в талом состоянии.
- Основание сооружения по всей площади подвергается неравномерному прогреву (наличие котельной и прочее).
Ни в коем случае нельзя совмещать эти два метода для разных частей единого комплекса сооружений. Более поздняя пристройка к основному зданию, построенная на ином принципе проектирования, может вызвать разрушения несущих конструкций всего комплекса.
Противостоять неравномерной осадке зданий можно только одним путём. Нужно проектировать несущие конструкции с достаточным запасом прочности. Для этого устанавливают дополнительные пояса жёсткости из металлопроката высокого профиля.
Район вечной мерзлоты
Свайные фундаменты на вечномёрзлых грунтах
В районах вечной мерзлоты для устройства фундаментных оснований применяют сваи. Опорные конструкции такого типа бывают различными, как по конструктивным особенностям, так и по размерам.
Особенности свайных конструкций
Для возведения свайных фундаментов в зоне вечной мерзлоты используют деревянные, металлические и железобетонные сваи. Опоры различают по способу передачи нагрузки от здания на грунт. Это висячие сваи и сваи-стойки. Сваи для установки в вечномёрзлых грунтах применяют длиной от 6 до 15 м.
На участке с твёрдыми мёрзлыми почвами со средней годовой температурой не выше – 3 о С устанавливают железобетонные сваи с величиной нормативной нагрузки в пределах 10 до 160 тн. В зонах с риском морозного пучения опоры оснащаются дополнительным армированием. В пластичных мёрзлых грунтах используют буро забивные конструкции.
Для одиноко стоящих сооружений свайное поле возводят из металлических свай. Опоры покрывают специальным антикоррозионным покрытием. Это позволяет защитить конструкции от агрессивного воздействия надмёрзлых грунтовых вод.
Поперечные сечения железобетонных опор имеют прямоугольные, квадратные и восьмигранные формы. Нижние концы делают заострёнными и тупыми.
Восьмигранные круглые опоры монолитного сечения наиболее приемлемы для их использования в надмёрзлых грунтах. Благодаря восьмигранной форме сечения, появляется возможность добиться бурения скважин оптимального радиуса. В результате плотного прилегания вдоль вертикальной поверхности опоры к грунту существенно повышается их несущая способность.
Сохранению мёрзлого состояния верхнего слоя почвы способствуют ростверки свайного поля, построенные из сборных конструкций. Уложенные железобетонные плиты перекрытия находятся на определённой высоте над грунтом. Проём между перекрытием и грунтовым основанием обеспечивает вентиляцию подполья, что препятствует таянию мерзлой поверхности почвы от теплового излучения строения.
При проектировании свайного основания, сохраняющего мёрзлое состояние грунта, производится бурение исследовательских (температурных) скважин для сбора данных наблюдения смерзания опор с грунтом.
Бурение скважин
Работы по бурению скважин составляют в среднем 75 – 80% от общих трудозатрат по устройству свай. Бурят скважины с помощью специальной техники. Буровые установки оснащены вращательным, ударно-вращательным, ударно-канатным и термомеханическим оборудованием. Наряду с этим, скважины проходят трубчатыми лидерами (буры специальной конструкции), опускаемые сваебойным оборудованием.
Бурильно-сваебойная установка БМ-811
Как правило, свайные поля на ВГ представляют большое количество опор. Поэтому для каждого строительного участка нужно особо тщательно подбирать буровые установки, соответствующие особенностям грунтового основания. Для отдалённых районов от коммуникаций технику выбирают, рассчитанную на длительную автономную эксплуатацию.
Установки ударно-канатного действия сложны в перевозке, ограничены в манёвренности. Поэтому используют крайне редко. Чаще всего скважины бурят установками ударно-вращательного и термомеханического принципа действия.
Лидерный способ проходки скважин заключается в том, что механизм погружается вниз по мере углубления отверстия в ВГ. Извлекают свае погружающую установку специальной лебёдкой.
Установка свай в ВГ
Метод установки опор определяют на основании физико-механических показателей ВГ, средней годовой температуры почвы, климатического района строительства, времени года и требований к степени точности погружения свай на ВГ.
Определяют среднюю годовую температуру ВГ на глубине от 10 – 15 м, где смена сезонов практически не вызывает изменения уровня средней температуры почвы. Учитывая этот показатель, мёрзлые грунты делят на низкотемпературные (от –1,5 о С) и высокотемпературные (0 о С, не ниже – 1,5 о С) слои почвы. На основании этого выбирают определённый метод установки свай.
Мощность свайных оснований в низкотемпературных многолетних ВГ существенно больше, чем несущая способность опор, установленных в среде высокотемпературных слоёв почвы. К тому же временной промежутокмежду началом вмерзания и достижением максимальной величины несущей способности существенно сокращается.
Возведение оснований зданий на высокотемпературных пластично мёрзлых основаниях требуют соблюдать особые меры безопасности. Перед началом строительства следует проводить мероприятия по понижению температуры грунтового основания. При прохождении шурфов большого диаметра в почву специально понижают температуру для того, чтобы обеспечить полное вмерзание опор в грунт. Естественный процесс вмерзания может затянуться до 3 – 5 месяцев, что увеличивает срок окончания строительства объекта.
В справочной литературе можно найти графики среднемесячных температур взонах с разными характеристиками ВГ. Согласно этому графику определяют способ установки опор.
Заливка установленных свай
Сваи опускают в отверстия, которые в плане на 2,5 см больше радиуса поперечного сечения опоры. Затем заливают пазухи жидким грунтом. Технология заливки производится в следующем порядке:
- Бурят отверстия в местах установки свай с температурой грунта в диапазоне от 0 о С до – 5 о С. В случае превышения этой нормы, работы сопровождают принудительным охлаждением почвы.
- Заливают раствор в отверстия с положительной температурой воздуха. Если стоит морозная погода, грунтовый раствор подогревают от + 20 о С до + 40 о С.
- Сразу после заделки скважин раствором, в них опускают опоры.
- Установленные сваи подгоняют под проектное положение по высоте.
Скважины заливают жидким раствором из глины и песка. Смесь готовят из части глины и 8 – 10 частей песка. Уровень влажности заливки должен быть в пределах 30 – 35%. Осадка конуса должна составлять 12 – 16 см.
Скважину сверлят глубиной равной длине подземной части опоры или несколько больше. Недостающий объём обратной засыпки пополняют песком, щебнем либо другим мало сжимаемым сыпучим материалом.
При сооружении свайного основания стремятся добиться прочного смерзания опор с почвой, равной по степени смерзания опор с заливкой. Если этого не будет происходить, сформируется слабый слой грунтового раствора, который понизитпоказатель несущей способности опор.
При готовке заливки используют буровой шлам. Его достают из скважин в тёплый сезон года с помощью ударно-канатного оборудования. В случае преобладания песка в шламе в раствор включают глину.
На низкотемпературных участках установку свай осуществляют одновременно с прогревом мёрзлой почвы. Работы такого рода производят в течение всего года. На участках с температурой почвы около – 1 о С осуществлять установку свай нужно с первых чисел января до окончания сентября.
Там где температура выше – 1,5 о С, работы с октября по декабрь проводить не рекомендуют, потому что процесс вмерзания может затянуться.
Чтобы облегчить прохождения бура, используют горячую воду или пар. Также применяют открытые и закрытые обогреватели.
Закрытая система обогревателя обеспечивает проникновение теплоносителя в просверленные отверстия диаметром не более 150 мм. Закрытые обогреватели заставляют теплоноситель вращаться по замкнутому кругу.
В пластинчатых слоях ВГ нагревающие агрегаты вдавливают в ВГ на глубину от 5 до 8 м. Установленная в обогревателе паровая игла вдавливается в почву под давлением собственного веса. Погружать иглу в песчаный грунт приходится с применением физической силы рабочих. Проникающий пар размораживает мёрзлую почву и одновременно с этим происходит перемешивание грунта.
Нагретый до 90 о С конец иглы смывает разогретую почву, тем самым вызывает интенсивное размораживание почвы. Центр размораживания никак не влияет на температурные изменения вокруг.
Установка свай в оттаявших грунтах обходится в 2 раза дешевле, чем погружение опор в заранее пробуренные скважины.
Одним из недостатков погружения опор в оттаявшую почву является то, что опоры вмерзают по-разному и очень медленно. В справочной информации приводятся таблицы, содержащие приближённое время вмерзания опоры. Благодаря смерзанию сваи с грунтовой заливкой удаётся повысить несущую способность опор на 25 – 30%.
Температурные нормы грунтов для бурозабивных свай
| 1 | Пылеватый песок | От 0ºС до – 3ºС |
| 2 | Супесь | От 0ºС до – 8ºС |
| 3 | Суглинок | От 0ºС до – 1ºС |
| 4 | Глина | От – 1ºС до – 2ºС |
Особенность возведения свайных оснований на ВГ нуждается в постоянном осуществлении контроля проектной организации всех стадий производства работ с обязательным составлением промежуточных актов приемки работ.
Винтовые сваи на вечномёрзлых грунтах
Особо следует обратить внимание на устройство фундаментных оснований на винтовых сваях в условиях вечной мерзлоты. Винтовые опоры давно завоевали популярность в сфере устройства фундаментов для зданий и сооружений в тех местах, где возведение опорных конструкций из других материалов проблематично.
Установка винтовых опор соответствует первому методу проектирования оснований зданий. Сооружения и дома, построенные на винтовых сваях, не соприкасаются с грунтом и поэтому не оказывают теплового воздействия на вечную мерзлоту.
Расчёт свайного основания на винтовых опорах в условиях многолетней мерзлоты практически ничем не отличается от расчёта несущей способности свай в районах средней полосы и южных районов страны. Единственным ограничением для использования винтовых свай являются скалистые грунты, почвы с крупнообломочными включениями.
При вхождении в почву винт сваи может разрушиться о каменистые фрагменты в составе грунта. Поэтому обязательно нужно проводить изыскательские работы, для подтверждения отсутствия таких негативных факторов.
Что такое винтовая опора
Винтовая свая представляет собой цельносварную металлическую трубу с винтовыми лопастями на нижнем её конце. Наконечник сваи для ВГ в корне отличается от обычных винтовых опор. Конец сваи имеет зубчатую коронку, что обеспечивает надёжное прохождение слоёв льда и мёрзлой почвы. Длину сваи определяют из расчёта вхождения конца опоры в однородный по составу грунт на глубину не менее 300мм.
Наконечники винтовых свай для ВГ
Установка винтовых свай
Ввиду особых условий, устанавливают винтовые конструкции только механизированным способом. Механизированная установка представляет собой самоходную платформу с подающей стрелой. Стрела оснащена вращающимся силовым механизмом, в котором закрепляют оголовок винтовой сваи. Под воздействием сил вращения опора ввинчивается в мёрзлый грунт, как штопор в пробку.
Установка винтовых свай механизированным способом
Как видно на снимке, сваи устанавливают на расстоянии друг от друга не более 3 м. Верхние части установленных опор нивелируют под одну отметку. Высоту наземной части свай рассчитывают таким образом, чтобы подполье дома достаточно интенсивно проветривалось. Движение воздушных масс под зданием не даёт проникать в толщу ВГ теплу от постройки.
Несущая способность винтовых опор
Строительная промышленность выпускает винтовые сваи длиной от 2,5 м и более. Размеры диаметров стволов: 58, 89 и 108 мм. По специальному заказу производитель изготовит металлические стойки индивидуальных размеров в соответствии с расчётными данными. В данной таблице указана несущая способность винтовых свай заводского изготовления:
| 1,6 | 2,5 | 3,5 |
| 1,4 | 2,2 | 3,2 |
| 0,3 | 0,5 | 0,7 |
| 2,8 | 4,4 | 6,4 |
Видео «Расчёт фундамента на винтовых сваях»:
Повышение несущей способности винтовых стоек
Повышают несущую способность металлических опор тем, что внутреннюю полость стволов заполняют бетонным раствором. После срезки верхних частей свай под одну отметку, внутрь стволов заливают жидкий бетон. Во время заливки трамбуют каждый слой раствора толщиной 500 – 700 мм. Для этого внутрь ствола опускают гильзу электрического вибратора.
Заполненная полость ствола опоры бетоном не нуждается в антикоррозионной защите. Внешнюю поверхность опор обрабатывают специальными антикоррозионными составами, предназначенными для эксплуатации в условиях вечной мерзлоты.
Столбчатый фундамент
Фундамент столбчатого строения должен оказывать давление на вечномёрзлый грунт равное силе пучения почвы. Выдержать такие условия на строительстве одноэтажных домов практически невозможно. Поэтому возведение таких зданий на столбчатом основании не осуществляют.
На столбчатых опорах строят дома высотой в 2 этажа и более. Основное условие строительства заключается в том, чтобы столбы своим основанием не достигали залегания пластов вечной мерзлоты.
В условиях многолетней мерзлоты на строительстве частных домов хозяева участка зачастую воздвигают столбчатые фундаменты своими руками.
Достоинства столбчатых опор
Взамен дорогостоящего ленточного фундамента возводят столбчатые опоры, которые обвязывают ростверковыми конструкциями.
Применение конструкций столбчатого типа обладает рядом достоинств:
- невысокая стоимость;
- экономия материальных затрат;
- сжатые сроки строительства;
- возможность широкого выбора материалов для изготовления столбчатых опор.
Разновидности столбчатых опор
Столбчатые опоры воздвигают различных видов таких, как:
- кирпичные столбы;
- монолитные бетонные столбы;
- столбы из асбоцементных труб;
- бутовые опоры;
Кирпичные столбы
Кирпичные столбики устанавливают крайне редко.В основном они служат в качестве опорных конструкций для строительства небольших лёгких приусадебных строений. Кирпич из обожжённой глины обладает высокой гигроскопичностью и под воздействием повышенной влажности подвержен эрозии.
Столбчатый фундамент из кирпича
Поверхности кирпичных столбиков нужно обязательно покрывать гидроизоляцией. Столбики оборачивают рубероидом на битумной мастике. Верхние поверхности тоже покрывают рубероидом или толем. Кирпичные столбы возводят на небольшой глубине выше уровня залегания промёрзлых слоёв почвы.
Сложенный столб шириной в 1,5 кирпича образует внутреннюю полость квадратного сечения. Полость заполняют бетонным раствором. Чтобы масса раствора не распёрла стенки столба, заполнение внутреннего объёма опоры производят послойно, перемежая слои раствора и шлама. Толщина каждого слоя должна быть около 300 мм. Слои обязательно подвергают трамбовке.
Для обеспечения связей опор с конструкцией ростверка внутрь столбов помещают арматурный каркас. Каркас делают из трёх продольных стержней периодического профиля. Стержни связывают проволокой с поперечными отрезками арматуры. Выпуски арматуры оставляют такой длины, чтобы обеспечить прочную связь с ростверком.
Кирпичные столбы такой конструкции обладают повышенной несущей способностью и могут служить в качестве фундамента даже для двухэтажных зданий.
Монолитные бетонные столбы
Вместо кирпичной кладки возводят столбы из монолитного бетона. В отличие от кирпичных столбиков возведение железобетонных опор связано с устройством опалубки. Для устройства фундаментного основания используют бетон марки не ниже М 300.
Железобетонные столбы обладают высокими показателями несущей способности.Они могут выдерживать довольно большой вес малоэтажного строения.
Как и кирпичные столбики, железобетонные столбы возводят на уширенной бетонной подготовке.
Работы по возведению монолитных опор производят в следующем порядке:
- Производят разметку строительного участка. Отмечают реперами центры опор.
- Выкапывают ямы проектной глубины. На дно насыпают песок и тщательно его трамбуют. На песчаную подушку укладывают бетон толщиной 150 – 200 мм.
- Внутри ям устанавливают опалубочные щиты с распорками. Опускают арматурные каркасы.
- Производят заливку опалубки бетонным раствором.
- Через 28 – 30 дней опалубку демонтируют. Поверхность столбов покрывают гидроизоляцией.
Столбы из асбоцементных труб
Столбчатый фундамент из асбоцементных труб в зонах вечной мерзлоты возводят при условии соблюдения достаточного просвета между низом строения и грунтовым основанием.
При проектировании здания используют первый принцип формирования фундаментного основания. Проём между домом и землёй обеспечивает поддержание температуры воздуха окружающей среды. Этим исключается тепловое воздействие строения на многолетнюю мерзлоту.
Стандартный диаметр труб для фундаментных столбов – 300 мм. Строительная промышленность выпускает асбестовые трубы длиной 6 м и 12 м. Чтобы получить опору нужной длины, её обрезают абразивным кругом. Наращивают трубу с помощью муфты (отрезка трубы большого диаметра).
Для формирования одной опоры нередко используют связку из нескольких труб.
Устанавливают столбчатый фундамент на ВГ следующим образом:
- В отмеченных местах бурят скважины. Диаметр скважин должен быть таким, чтобы трубы плотно входили в отверстия.
- Дно скважин засыпают щебнем слоем 300 мм.
- В отверстия опускают асбестоцементные трубы. Согласно расчётам несущей способности опор внутрь труб помещают арматурный каркас.
- Трубы заливают бетонным раствором, оставляя выпуски арматуры.
- Зазоры между стенкой трубы и отверстием заполняют трамбованным песком.
Бутовые опоры
Если рядом со строительным участком можно добыть бутовый камень, то фундамент возводят из бутовых столбов. В зоне вечной мерзлоты столбчатый фундамент делают мелко заглублённым. Столбы возводят из подогнанных камней по размеру и форме, которые скрепляют цементным раствором.
Наряду с вышеописанными видами столбчатых опор, опоры возводят из сборных железобетонных фундаментных блоков. Для частных домов основание из сборного железобетона экономически невыгодно. Возводят такие опоры на строительстве крупных промышленных и гражданских объектах.
Столбчатый фундамент для небольших частных домостроений на ВГ экономит немалые средства застройщиков, которые решили построить дом своими руками.
Ленточный мелкозаглубленный фундамент
На вечной мерзлоте допускается возведение мелкозаглублённых монолитных ленточных фундаментов. На таком основании строят небольшие одноэтажные постройки. Кирпичные дома в условиях мерзлоты строят на скальных грунтах.
Надёжность монолитного основания здания определяет долговечность и целостность несущих конструкций. Габариты монолитной ленты определяют расчётом на основе следующих факторов:
- несущая способность верхнего слоя грунтового основания;
- глубина залегания многолетней мерзлоты промерзания;
- толщина деятельного слоя почвы, уровень грунтовых вод;
- сезонные изменения свойств грунта;
- план дома – расположение несущих стен, которые передают нагрузку от веса здания на фундамент;
- расчёт удельной нагрузки на единицу площади строения;
- наличие и доступность материальных ресурсов.
Обоснование возведения монолитной ленты
В условиях отдалённых северных районов страны могут возникать трудности, связанные с отсутствием логистики по доставке сборных железобетонных блоков на строительный участок, поэтому, чаще всего, ленточный фундамент возводят из монолитного железобетона.
Проектирование и расчёт монолитной ленты
При больших объёмах крупных объектов необходимо обращаться к специалистам-проектировщикам. На основе проекта составляется сметная документация и спецификация расходных материалов для возведения монолитного фундамента.
Из проектной документации можно определить, сколько нужно изготовить или заказать бетонного раствора, какой марки. Также производится подсчёт потребности в арматуре, гидроизоляции и прочих сопутствующих материалов.
Этапы работ
Возведение монолитного фундамента в условиях вечной мерзлоты разбивают на несколько этапов. Этапы работ выполняют в следующем порядке:
- подготовительные;
- земляные;
- опалубочные;
- армирование;
- бетонирование;
- уход за бетоном.
Подготовительные
Правильно выполненные подготовительные мероприятия, обеспечивают ритмичное строительство объекта. Мероприятия проводят в следующем порядке:
- Устраивают подъездной путь к строительной площадке. Дорога должна обеспечить беспрепятственный проезд автотранспорта при любой погоде;
- На место строительства завозят материалы (цемент, песок, арматуру, доски и брус), инструменты и бетономешалку. Делают необходимый запас воды.
- Готовят площадку для изготовления опалубочных щитов, устанавливают бетономешалку или ёмкость для замеса раствора вручную.
- Подводят электрический кабель с устройством электрощита.
Земляные
После окончания подготовительных работ приступают непосредственно к выполнению земляных работ. Снимают плодородный слой грунта. Выемку грунта производят до проектной отметки. Траншеи под ленту роют такой ширины, чтобыбыло удобно производить опалубочные работы.
Устройство подвального помещения увеличивает внешнее воздействие почвы на вертикальную поверхность фундаментного основания. Поэтому монолитную ленту делают шире с более мощным арматурным каркасом.Стенки траншей копают под углом для предотвращения осыпания грунта внутрь рвов.
Основание траншей трамбуют. Если нет возможности применить виброплиту, трамбуют дно рвов вручную колодой. Затем по всему дну траншей насыпают подушку из щебня и песка толщиной слоёв 100 – 150 мм.
Опалубочные
Подготовленные щиты укладывают в траншеи. Щиты изготавливают из досок, строительной фанеры. По возможности берут в аренду многоразовые опалубочные щиты. Важно, чтобы щиты не имели щелей и были надёжно закреплены упорами, распорками и стяжками.
Во избежание протечки жидкого раствора внутренние поверхности опалубки покрывают листами рубероида или полиэтиленовой плёнкой. После демонтажа покрытие оставляют на поверхности монолита в качестве гидроизоляции.
Стыки покрытия делают с напуском в 10 – 15 см. Лучше всего использовать строительную полиэтиленовую плёнку, сделанную из вторичного сырья. Материал толщиной 40 – 60 мкм обладает высокой прочностью.
Армирование
Арматурные каркасы изготавливают из стержней периодического профиля диаметром от 8 до 12 мм. Для поперечных связей применяют гладкие стержни 8 – 10 мм в диаметре.
Каркасы из арматуры скрепляют на строительной площадке вязальной проволокой или сваривают на специальном стенде. Также к арматуре приваривают закладные детали.
Каркасы укладывают в опалубку таким образом, чтобы металл был покрыт бетонным раствором толщиной 30 мм. Для этого ставят различные подкладки из дерева. Делают это с целью создания защитного слоя бетона, не допускающего коррозию металла.
Бетонирование
В опалубку фундаментов небольших зданий заливают бетон марок М 250 – М 300. Готовят бетонный раствор рядом с возводимым основанием здания вручную или с помощью бетономешалки. Если недалеко от строительства находится растворный узел, бетон нужной марки заказывают на предприятии. В назначенное время на площадку прибудет автомиксер.
Заливку опалубки нужно производить непрерывно. Прерывать процесс можно только на 2 – 3 часа. Иначе полученный монолитный фундамент потеряет нужную несущую способность. Во время заливки контролируют горизонтальность поверхности монолитной ленты.
Проектирование и расчёт фундаментов на вечномёрзлых грунтах требуют профессионального подхода, поэтому заниматься этим должны специализированные проектные организации.
Источник: kakfundament.ru
2 принцип строительства на вечномерзлых
Нужен полный текст и статус документов ГОСТ, СНИП, СП?
Попробуйте профессиональную справочную систему
«Техэксперт: Базовые нормативные документы» бесплатно
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ВЫБОРУ ПРИНЦИПА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ В КАЧЕСТВЕ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ
Рекомендации преследуют цель дать научное обоснование выбору принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий. Выбор принципа осуществляется на основе технико-экономического сравнения вариантов с оценкой надежности принимаемых проектных решений, что является новым в практике фундаментостроения на вечномерзлых грунтах. Расчеты выполняются на ЭВМ. В Рекомендациях описываются алгоритм и программа расчета, излагается вероятностно-экономический подход к выбору принципа, даются указания по назначению исходных данных. Рекомендации позволяют повысить качество проектирования и обеспечить экономически оптимальный уровень надежности проектируемых объектов.
Рекомендации адресованы проектным организациям, занимающимся вопросами строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов.
Работа рекомендована к изданию решением секции фундаментостроения на вечномерзлых грунтах Ученого совета НИИОСП.
Авторы Рекомендаций: докт. техн. наук Л.Н.Хрусталев, инженеры С.В.Яковлев и Г.П.Пустовойт.
ВВЕДЕНИЕ
При проектировании оснований и фундаментов зданий, возводимых на территории распространения вечномерзлых грунтов, принимается один из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований [1]:
принцип I — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии;
принцип II — вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии.
Каждый принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований в зависимости от мерзлотно-геологических условий может осуществляться несколькими способами фундаментостроения.
На участках, где слой сезонного промерзания-оттаивания сливается с вечномерзлыми грунтами, широко применяется способ фундаментостроения с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии (принцип I); конструктивно он выражается в заложении фундаментов в вечномерзлом грунте и устройстве под зданием вентилируемого подполья или другой охлаждающей системы. Этот способ обеспечивает долговечность здания, если одновременно обеспечивается нормальная работа охлаждающей системы и предусматриваются мероприятия по ликвидации теплового воздействия на грунты основания близрасположенных зданий.
Принцип I также может применяться на участках, где слой сезонного промерзания-оттаивания не сливается с вечномерзлыми грунтами. При неглубоком залегании верхней границы вечномерзлых грунтов, в пределах достигаемости их обычными свайными или столбчатыми фундаментами, этот принцип реализуется с помощью способа фундаментостроения с промораживанием грунтов основания в процессе эксплуатации здания. В этом случае фундамент опирают на вечномерзлый грунт, промораживание вышерасположенного талого слоя осуществляют в период эксплуатации за счет работы охлаждающей системы здания. При глубоком залегании верхней границы вечномерзлых грунтов принцип I реализуется с помощью способа фундаментостроения с предварительным промораживанием грунтов основания. Предварительное промораживание осуществляется установками искусственного или естественного холода до возведения фундаментов, после чего установки извлекаются из грунта, и поддержание мерзлого состояния основания в процессе эксплуатации осуществляется охлаждающей системой здания.
Однако более распространенными способами фундаментостроения на участках, где слой сезонного промерзания-оттаивания не сливается с вечномерзлыми грунтами, являются способы фундаментостроения, реализующие принцип II.
Если подстилающий слой является малосжимаемым, то его оттаивание не вызывает существенных деформаций и может быть допущено в процессе эксплуатации здания. В этом случае применяется способ фундаментостроения с приспособлением конструкции к неравномерным осадкам.
Фундаменты такого здания работают, как в талом грунте, отличие заключается лишь в большей жесткости или, наоборот, гибкости надфундаментной конструкции. Однако это редко встречающийся случай. Обычно вечномерзлые грунты при оттаивании дают большие деформации, которые являются основной причиной разрушения строительных конструкций. Поэтому для обеспечения устойчивости здания применяют способы фундаментостроения с предварительным оттаиванием вечномерзлых грунтов основания или со стабилизацией начального положения верхней границы вечномерзлых грунтов.
Первый из них предусматривает предварительное оттаивание вечномерзлых грунтов на такую глубину, при которой их дальнейшее оттаивание в процессе эксплуатации здания не вызовет деформаций, опасных для целостности и устойчивости конструкции. При этом фундамент здания закладывают в талом или предварительно оттаянном грунте.
Второй предполагает заложение фундаментов в талом слое грунта, расположенном над вечномерзлым, и устройство под зданием вентилируемого подполья со средней многолетней температурой воздуха, близкой к нулю градусов.
Принцип II может применяться и на участках, где слой сезонного промерзания-оттаивания сливается с вечномерзлыми грунтами, если это диктуется технологическими соображениями и экономической целесообразностью.
Таким образом, в большинстве случаев по мерзлотным условиям невозможно однозначно определить принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве основания.
Строительные нормы и правила [1] рекомендуют выбор принципа осуществлять на основе технико-экономического сравнения вариантов. Однако в настоящее время под этим понимается лишь сравнение вариантов по их начальной стоимости. Такой подход нельзя считать обоснованным, поскольку при этом не учитывается надежность принимаемых решений.
Очевидно, что варианты, отличающиеся по надежности, не могут быть сопоставлены по начальной стоимости. Поэтому для научно обоснованного выбора принципа использования вечномерзлых грунтов и способа фундаментостроения необходимо уметь оценивать надежность оснований и уметь её оптимизировать по стоимости. Эти вопросы рассматриваются в настоящих Рекомендациях применительно к перечисленным выше способам фундаментостроения. При этом в целях упрощения задачи рассматривается только один тип фундаментов — сваи и один тип охлаждающей системы — вентилируемое подполье.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Для ускорения внедрения в практику строительства последних достижений науки и техники и установления прямых связей между научно-исследовательскими и проектными организациями Госстрой СССР разрешил при разработке рабочих чертежей применять рекомендации головных институтов Госстроя СССР до включения их в нормативные документы. При этом соответствующая часть проекта, в которую вошли разработки научно-исследовательского института, должна быть выполнена с участием головного НИИ — автора работы.
1.2. Настоящие Рекомендации разработаны в развитие положений п.3.8 СНиП II-18-76* «Нормы проектирования. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [1] и распространяются на проектирование гражданских и промышленных комплексов, возводимых на вечномерзлых грунтах.
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 2.02.04-88, здесь и далее по тексту. — Примечание изготовителя базы данных.
1.3. Выбор оптимального проектного решения по устройству оснований и фундаментов зданий на вечномерзлых грунтах следует осуществлять на основе минимизации суммарной приведенной стоимости здания, являющейся функцией его начальной стоимости и надежности основания:
где — суммарная приведенная стоимость здания; — начальная стоимость здания, определяемая как сумма стоимостей надфундаментной конструкции, фундаментов и подготовки основания; — цена риска, определяемая надежностью основания согласно (2).
где — производная функции надежности основания по времени; — процент отчислений на полное восстановление, принимается в зависимости от класса капитальности здания согласно [2]; — коэффициент экономической ответственности, принимается как отношение постороннего ущерба к начальной стоимости здания; — нормативный коэффициент приведения разновременных затрат, принимается согласно [3]; — текущее время; — период эксплуатации здания.
1.4. Под надежностью основания понимается его способность воспринимать внешние нагрузки и воздействия (тепловые и механические) с сохранением эксплуатационной годности возведенного на нем здания. Количественной мерой надежности является вероятность события, при которой выполняются предельные условия по несущей способности и деформациям основания в течение всего периода эксплуатации здания . Вероятность этого события за текущее время называется функцией надежности основания и описывается выражением (3).
где — функция надежности основания; — несущая способность основания на момент времени ; — нагрузка на основание от здания; — величина совместной деформации основания и здания на момент времени ; — предельно допустимая величина совместной деформации основания и здания; — действующие на фундамент силы морозного пучения на момент времени ; — силы трения и сцепления фундамента с грунтом на момент времени .
1.5. Функция надежности основания определяется совокупностью действия множества природно-климатических и техногенных факторов, носящих случайный характер. Она вычисляется на электронно-вычислительной машине методом статистических испытаний (Монте-Карло) согласно алгоритму, изложенному в разделе 3 настоящих Рекомендаций. Алгоритм предусматривает также вычисление суммарной приведенной стоимости здания.
1.6. На вид и значения функции надежности можно направленно воздействовать с помощью нижеследующих управляющих параметров: мощности талого слоя, оставляемого под зданием к началу его эксплуатации ; глубины заложения фундаментов и модуля вентилирования подполья (отношение площади вентиляционных отверстий в ограждении подполья к площади здания в плане).
1.7. Сочетание управляющих параметров , и для конкретного здания, расположенного в конкретных природно-климатических условиях, однозначно определяет надежность основания, суммарную приведенную стоимость здания, принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве основания и способ фундаментостроения. Поэтому задача поиска оптимального проектного решения сводится к задаче поиска некоторого сочетания управляющих параметров, соответствующего минимуму суммарной приведенной стоимости.
1.8. Первому принципу использования вечномерзлых грунтов в качестве основания соответствует следующее сочетание управляющих параметров: , 0. При этом способу фундаментостроения с предварительным промораживанием грунтов основания отвечает соотношение ( — максимальная глубина залегания верхней границы вечномерзлых грунтов в естественных условиях в пределах пятна застройки). Способу фундаментостроения с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии и способу фундаментостроения с промораживанием грунтов основания в процессе эксплуатации — соотношение .
1.9. Второму принципу использования вечномерзлых грунтов в качестве основания соответствует следующее сочетание управляющих параметров: . При этом способу фундаментостроения с предварительным оттаиванием грунтов основания отвечают соотношения 0, ( — минимальная глубина залегания верхней границы вечномерзлых грунтов в естественных условиях в пределах пятна застройки). Способу фундаментостроения с допущением оттаивания грунтов основания в процессе эксплуатации — соотношения: 0, . Способу фундаментостроения со стабилизацией начального положения верхней границы вечномерзлых грунтов — соотношение 0.
1.11. Все расчеты по выбору оптимального проектного решения следует осуществлять применительно к первичному элементу застройки (группа зданий), в пределах которого согласно [1] должен осуществляться единый принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований, и применительно к типичному инженерно-геологическому разрезу в пределах этого элемента.
1.12. Первичные элементы застройки, возводимые по принципу I и способу стабилизации, должны быть отделены от первичных элементов застройки, возводимых по принципу II, полосой безопасности, обеспечивающей тепловую защиту оснований от взаимного влияния зданий. Ширина полосы безопасности вычисляется по формуле:
где — ширина полосы безопасности, м; — глубина заложения фундаментов, м; — параметр, определяемый по номограмме на рис.1, безразм.
Рис.1. Номограмма для определения
Входные параметры номограммы: , и определяются по формулам (5)-(7).
где — температура поверхности грунта под ближайшим к полосе безопасности зданием, возводимым по принципу II, °С; — температура поверхности грунта в пределах полосы безопасности, °С; — средняя интегральная температура поверхности грунта в черте застройки, возводимой (возведенной) по принципу II, определяется по формуле (8), °С; — температура вечномерзлого грунта в естественных условиях на глубине 10 м, °С; — ширина ближайшего к полосе безопасности здания, возводимого по принципу II, м.
где — температура поверхности грунта в пределах -го элемента застройки (например, здания, дороги, газона и т.п.), °С; — площадь -го элемента в процентах к общей площади застроенной территории; — количество элементов.
Источник: docs.cntd.ru