Проблемы строительства в вечной мерзлоте

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющие в природных условиях постоянно отрицательную или нулевую температуру. Такие грунты занимают около 26 % земной суши и составляют около 47 % территории России.

В северной части России вечномерзлые грунты залегают сплошным массивом мощностью до 500 м и более, постепенно уменьшаясь по направлению к южной границе, где принимают характер островного залегания в толще талого грунта.

Верхний, покровный, слой грунта, расположенный над вечномерзлыми пластами и подвергающийся сезонному замораживанию и оттаиванию, называют деятельным слоем. Его мощность обычно колеблется в пределах от 0,5 до 4 м и более.

В зависимости от глубины залегания вечномерзлого грунта сезонный мерзлый слой может отделяться от него слоем талого грунта или эти слои будут сливаться. Принципиальные схемы расположения вечномерзлых грунтов показаны на рис. 17.6.

Значительная часть вечномерзлых грунтов находится в льдонасыщенном состоянии или же содержит в себе отдельные включения льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные грунты, которые, обладая высокой (более 0,5 МПа) несущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушениям зданий.

ПОЧЕМУ дома районов вечной мерзлоты именно ТАКИЕ?

В районах вечной мерзлоты встречаются пучинистые грунты, располагаемые в толще деятельного слоя, а также наледные образования (наледи) и провалы (термокарсты), которые могут оказывать разрушающее действие на здания и сооружения. Пучинистые грунты при сезонном замерзании деятельного слоя могут подвергнуть фундаменты выпучиванию.

Рис. 17.6. Виды залегания вечномерзлых грунтов: а — вечномерзлый грунт, сливающийся с сезонной мерзлотой; б — то же, не сливающийся; в — то же, с таликами; г — то же, островного залегания

Наледные образования представляют собой вспучивание почвы в виде бугров значительных размеров. Их возникновение происходит обычно за счет сезонного промерзания надмерзлотных грунтовых вод с последующим аккумулированием большого количества льда. Иногда под действием внутренней напряженной воды и льда верхние слои грунта прорываются, а вода, замерзая, создает сплошные наледи, способные разрушать здания и сооружения.

Освоение богатств Севера, Сибири и Дальнего Востока требует осуществления строительства зданий и сооружений на территориях с вечномерзлыми грунтами. В связи с этим 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, методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий и сооружений.

Источник: bstudy.net

Строительство на вечной мерзлоте. Свайные фундаменты. Вечная мерзлота

«Нормы строительства на вечной мерзлоте пора пересмотреть»

#НОРИЛЬСК. «Таймырский телеграф» – «Норникель» усиливает мониторинг за состоянием промышленных зданий и сооружений и привлекает ведущие институты Российской академии наук для решения вопросов, связанных с растеплением грунтов.

Несмотря на попытки сохранить поплывший фундамент, дом на Московской, 14, признали аварийным и расселили

Ученые, изучающие вечную мерзлоту в регионах Крайнего Севера, считают, что необходимо пересмотреть строительные нормы и методы работы, чтобы не допустить возможных рисков, связанных с растеплением грунтов. Иначе северные территории могут оказаться не готовы к проблемам, связанным с потеплением.

Ученые из института прикладной механики и Московского государственного строительного университета, приехавшие в Норильск по приглашению компании «Норникель», рассказали, что у них есть решения и технологии, способные помочь безопасно эксплуатировать здания в условиях глобального потепления.

Специалисты говорят, что деградация мерзлоты в Сибири уже приобретает массовый характер. В зоне риска находятся Дудинка, Новый Уренгой, Норильск, Воркута, Магадан, Якутск и другие северные города.

По мнению ученых, посетивших Норильск, важно, чтобы наработки стали новыми государственными нормами, что называется, пока не поздно.

«Страна сейчас стоит перед новым глобальным вызовом. Этот вызов связан с потеплением климата, точнее, с изменением температуры в Северном полушарии. Как свидетельствуют климатологи, в последние 15–20 лет температуры стремительно возрастают, а на территории РФ – с опережением. Это, конечно, приводит к большим последствиям: грунты и вообще природа Севера – многое начинает трансформироваться, приспосабливаться к новым температурам», – рассказал заместитель директора института прикладной механики РАН, заведующий лабораторией геомеханики, заведующий кафедрой прикладной геомеханики Московского государственного строительного университета Михаил Королев.

Многолетними мерзлыми грунтами занято примерно 63 процента территории РФ. Они являются основанием всех сооружений, и их свойства – прочность и деформируемость – сильно зависят от температуры: чем холоднее, тем прочнее.

Мониторинг состояния свайных фундаментов в Норильске, осень 2020 года

«Существующая инфраструктура в северных регионах из-за изменения температуры начинает трещать. Примерно 75 процентов зданий и сооружений построены по принципу сохранения вечной мерзлоты. То есть дома строят на сваях, которые вмораживают в грунт, делают вентилируемое подполье и дальше возводят сооружение. Но сейчас площадь мерзлоты стремительно сокращается.

Глубина сезонного оттаивания и промерзания тоже меняется. Если в вашем регионе колебания положительных и отрицательных температур за летне-зимний период происходили где-то на глубине двух метров, то сейчас – на четырех-шести. Сами грунты раньше имели температуру минус шесть градусов, а теперь она поднялась до минус 2,5», – рассказал ученый.

Норильск называют «городом на сваях». От состояния вечной мерзлоты зависит устойчивость всех сооружений на Севере

Михаил Королев подчеркнул, что изменение температуры даже на один градус часто ведет к потере несущей способности свай на 50 процентов.

«В обычных грунтах деформация развивается достаточно быстро. А в мерзлых может развиваться в течение нескольких и даже десятков лет. Это сложный процесс, который надо устанавливать. Сейчас сделано очень много наработок, они позволяют решить все эти проблемы. Например, ускорить проведение биомеханических испытаний в десятки раз, также в десятки раз повысить их информативность.

Это проверено, это нужно внедрять. По инициативе Минстроя, и инициативу проявил Московский государственный строительный университет, сейчас создается консорциум среди крупнейших строительных вузов, институтов Академии наук, цель которого – приблизить фундаментальную науку к отраслевой, вузовской науке и создать рабочий симбиоз, выработать пакет проектов и совместно их реализовывать. До предприятий это дойдет в виде норм», – отметил Михаил Королев.

Ранее «ТТ» рассказывал, что в 2020 году мерзлота в Арктике таяла на 30 процентов быстрее. Деградацию вечной мерзлоты в Российской Арктике изучила международная экспедиция.

Источник: www.ttelegraf.ru

«Россияне до сих пор экономят на домостроении»

Алексей Местников о том, как строить в вечной мерзлоте без теплоизоляции

Покупать деревянные дома в 2018 году станет выгоднее – подписано постановление правительства России о субсидировании ставок по кредитам на покупку деревянных домов заводского изготовления. О ситуации с домостроением на Дальнем Востоке, новых материалах и способах строительства EastRussia рассказал доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой производства строительных материалов, изделий и конструкций Инженерно-технического института СВФУ Алексей Местников.

— Деревянные дома в стране будут продавать дешевле. Как это отразится на строительном рынке?

— Уверен, благодаря принятой госпрограмме акцент в индивидуальном малоэтажном строительстве сдвинется на возведение деревянных домов. К деревянному домостроению давно нужен новый подход, ведь строительные нормы в этой сфере устарели. В частности, строительство деревянных домов в стране затормаживалось из-за того, что дерево – это горючий материал, а значит, и высок риск пожаров: такой дом было труднее застраховать на большую сумму, банки ипотеку на него не давали, субсидию тоже. С появлением материалов со специальной противопожарной обработкой и изменением строительных норм ситуация с домостроением меняется.

Теперь все внимание на рынке обращено на заводское изготовление – это полный домокомплект или, проще говоря, готовый дом. Жилье из дерева можно будет покупать с теми же благами, что и при покупке квартиры: тут тебе и ипотека с низким процентом, а сам дом можно будет хорошо застраховать.

— Какие проблемы ключевые в строительстве частных домов в Якутии?

— На мой взгляд, остро стоит проблема вентиляции и кондиционирования воздуха. Мы с этим столкнулись при постройке новых домов из ячеистого бетона. Частники привыкли строить низкокачественные деревянные дома, которые отовсюду насквозь проветриваются – и так вышло, что трудности кондиционирования им были неведомы. У нас при появлении герметичных энергоэффективных домов проблема всплыла сразу: в зданиях образовался конденсат, воздух стал затхлым и влажным. В этой системе должен быть не только вентиляционный продув, но и поступление воздуха, чего мы не предусмотрели.

Одно время я был в Швейцарии – там мне сказали, что со строительством и производством строительных материалов у них проблем нет. Вся строительная наука у них направлена на улучшение вентиляции и кондиционирования воздуха, затрагивает практически каждое строение в стране. В Якутии эта проблема не обошла стороной даже крупные здания.

Конечно, одно дело – Швейцария со своим мягким климатом, и совсем другое – суровая Якутия, где зимой наблюдается огромный перепад температур: дома 22-24 градуса по Цельсию, а на улице -50 и ниже. За счет этого и образуется конденсат. Представьте: дому нужен свежий воздух, а брать его можно только с улицы, где -50. В итоге на стенах образуется иней, куржак и так далее. Нам нужно найти способ обойти это препятствие – это же целое научное направление, его надо изучать.

— С какими ошибками сталкиваются люди, начиная строительство своего дома?

— Люди не хотят больших вложений в строительство своего дома на начальном этапе, особенно, если это что-то новое, нетрадиционное. Так повсюду. Возможно, дело в российском менталитете. К примеру, на проведение нормальной вентиляции нужно вложить минимум 150-200 тысяч рублей – мало кто соглашается.

Россиянам пора понять, что строительство качественного дома – дело, требующее больших вложений, на нем лучше не экономить. Экономия в строительстве в итоге обратится в большие траты – то залатать, это переделать.

По той же причине люди, которые строят дом в Якутии, экономят на фундаменте. Ставят простой, не подходящий для наших условий. А долговечность здания напрямую зависит от фундамента.

Все знают, что из-за вечной мерзлоты каменные дома в республике ставят на сваи. Если обратить внимание на большие дома в Якутске, можно заметить, что на первых этажах никто не живет: там либо магазины, либо рабочие офисы. Все дело в холодных полах. Какую теплоизоляцию не делай – она не поможет, ведь внизу царит температура в -50 градусов и ниже.

Мы работали над новым видом фундамента, который был бы и качественным в условиях многолетней мерзлоты, и легким в установке: чтобы человек мог сам его залить без заказа буровой установки. Все дело в грунте.

По нашему мнению, дом не должен стоять высоко на куриных ножках – его нужно ставить на землю. Так, обычно при установке фундамента используют один из двух способов: первый – сохранение вечной мерзлоты в процессе эксплуатации, второй – с допущением глубины протаивания. Мы совмещаем оба варианта.

Так, используя тепловой баланс земли, обеспечивается режим «теплого пола», ведь грунт обладает определенной теплоемкостью. Проблема в том, что тепло также идет и от дома, из-за чего происходит оттайка, которая с годами только увеличивается.

Чтобы не допустить этого, мы используем способ фиксации оттайки на небольшой глубине, чтобы она оставалась на одном уровне, при помощи теплоизолированных малозаглубленных свай с уширенной опорой. Несущая часть свай находится в мерзлой зоне. Как показал опыт строительства экспериментальных домов, максимальная оттайка грунта при установке такого фундамента составила всего 2,5 метра, и это в сентябре. Один человек вручную может пробурить скважину таким способом всего за 45 минут, а с использованием мотобура – 10-15 минут.

— Расскажите об использовании местного сырья, ячеистых материалов, о которых вы упомянули.

— Используя ячеистый бетон, мы строим дома без теплоизоляции, потому что сам материал является и теплоизоляционным, и конструкционным. Вот почему мы берем его за основу – говоря буквально, это однослойная стена. Там нет несущего слоя, слоя теплоизоляции и отделки, как в современных домах. К тому же исследования показали, что этот материал пожаробезопасный. Используя в производстве ячеистый бетон, наше малое инновационное предприятие СВФУ «Стройкомпозит» с 2010 года построило два 9-этажных здания в городе Якутске для сотрудников университета, два десятка энергоэффективных индивидуальных дома в столице республике и городе Олекминске.

Основа любого ячеистого материала – песок. Есть два способа его изготовления: так как материал пористый, он создается за счет газообразования или пенообразования. Мы применяем второй, потому что он проще – пенобетон можно изготавливать где угодно. Изготовить можно как неавтоклавные ячеистые бетоны на основе цемента, так и автоклавные с использованием извести.

По качеству прочности первые хуже – им нужно повышать плотность. А если это делать, то получается тот же конструкционный материал, которому необходима дополнительная теплоизоляция. У автоклавных материалов характеристики прочности при низких плотностях достаточно высокие, к примеру, для того же строительства двухэтажного дома без каркаса.

К сожалению, автоклавное производство не везде организуешь: обязательно должны быть газ и электричество, так как используется высокое давление.

Чтобы решить проблему строительства на местах, я сейчас пытаюсь заинтересовать правительство республики и администрации районов организацией производства гранулированного пеностекла. Если сравнивать его с другими теплоизолирующими материалами, то пеностекло практически вне конкуренции из-за сочетания высокой теплоизоляции, абсолютной негорючести и водостойкости. Сам материал долговечен и экологически чист.

Дело в том, что на его основе можно изготавливать на месте легкие бетонные блоки со свойствами, присущими автоклавным ячеистым бетонам – это бы решило проблему производства на местах: главное, чтобы под рукой были пористый заполнитель из гранулированного пеностекла, цемент и установка для перемешивания. Если проект одобрят, то мы предусматриваем возможность организации производства гранулированного пеностекла из цеолитсодержащей породы месторождения Хонгуруу в Якутии. Выбор цеолита обусловлен доступностью и огромным запасом природного сырья, низкой энергоемкостью ее переработки из-за «мягкости» исходной горной породы.

Источник: www.eastrussia.ru

Методы строительства на вечной мерзлоте

В зависимости от местных мерзлотно-грунтовых условий, а также конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий и сооружений их строительство ведут либо с сохранением природного мерзлого состояния грунтов (I метод), либо допускают их оттаивание (II метод). При этом указанное оттаивание может про­исходить в одном случае постепенно, в процессе эксплуатации возведенных зданий и сооружений, если по качеству грунтов основания оно допустимо и не может вызвать появления больших и нерав­номерных осадок. В другом случае оттаивание производят до начала строительства, когда грунты сильно сжимаемы и после оттаивания требуется выполнять соответствующие работы по улучшению их качества.

Строительство по споco6y сохранения мерзлоты ведут, как правило, в тех случаня, когда грунты в природных условиях нахо­дятся в твердомерзлом состоянии. Для пластичномерзлых грунтов этот метод применим при условии осуществления мероприятий по понижению их температуры в сравнении с наблюдаемой в природных условиях залегания.

Строительство на оттаивающих или оттаявших грунтах ведут обычно при несплошном залегании вечной мерзлоты, наличии пластичномерзлых грунтов, мерзлотное состояние которых сохранить трудно, и в других аналогичных случаях. На каждой площадке рекомендуется применять один из указанных двух методов или принципов строительства. Совместное их применение допускается лишь при условии, если будет исключено нарушение устойчивости возводимых и уже возведенных зданий и сооружений, вызванное взаимным тепловым их влиянием на грунты основания.

Для сохранения мерзлоты в основании зданий устраивают про­ветриваемое подполье высотой не менее 0,7-1,0 м. Поверхность грунта в подполье и у зданий планируют с уклоном во внешнюю сторону не менее 0,02 и покрывают термоизоляционным слоем из шлака. Вместо шлака в пределах подполья применяют также мох и торф, которые присыпают сверху слоем земли против возгорания. Перекрытия над подпольем должны быть непродуваемыми и обла­дать необходимым термическим сопротивлением.

В зимнее время тщательно следят за продухами (окнами), через которые поступает холодный воздух в подполье, и постоянно очи­щают их от снежных заносов. Летом рекомендуется поверхность грунта у зданий защищать от нагрева солнечными лучами укладкой, например дощатых щитов для тротуаров.

Для капитальных зданий применяют железобетонные сваи и фун­даменты столбчатой конструкции (рис. 3.1). Сваи заглубляют в слои вечной мерзлоты не менее 2 м, а подушку столбчатых фун­даментов — не менее 1 м. Подушку вмораживают в грунт посредст­вом обсыпки из хорошо уплотненного влажного песка, а ее соедине­ние со стойкой надежно замоноличивают.

Сваи в последнее время получили широкое распространение в практике строительства на вечномерзлых грунтах. Как показал опыт норильских строителей, сваи оказались экономичнее фундаментов столбчатой конструкции. По их данным, стоимость свайных фундаментов для зданий примерно в 2 раза меньше, чем столбчатых. При этом значительно снижается трудоемкость устройства фундаментов и существенно сок­ращаются сроки работ нулевого цикла.

Для погружения свай бурят в мерзлом грунте скважины, кото­рые заполняют примерно на 1/3 глубины глинистым раствором те­кучей консистенции. Для его приготовления используют в ряде случаев также и выбуренные породы (шлам). Этот раствор берут не­сколько подогретым, чтобы не происходило его преждевременное замерзание. Затем в скважину забивают сваю, причем излишки раствора выдавливаются наружу. Раствор в скважине замерзает и происходит хорошее смерзание сваи с окружающим грунтом.

В пластичномерзлых грунтах возможна забивка свай в скважины несколько меньшего диаметра, чем поперечные размеры са­мой сваи, а иногда она осуществима даже без устройства скважин. Такие сваи называют бурозабивными и забивными.

В глинистых грунтах и в мелкозернистых и пылеватых песках, находящихся в твердомерзлом состоянии, погружение свай производят также и с протаиванием грунта. Этот способ применим, когда температура грунта в зоне заделки нижнего конца сваи не выше -1,5º, а крупноо6ломочных включений содержится не более 10% от общего его состава.

Рис. 3.1. Фундаменты свайной и столбчатой конструкции (справа) для зданий на вечной мерзлоте:

А – проветриваемое подполье; П – продухи; В. М. – вечная мерзлота; 1 – подушка из двух рядов деревянных брусьев; 2 – мокрый песок; 3 – галька, гравий или крупный песок; 4 – мох.

Расчет фундаментов, проектируемых по принципу сохранения мерзлоты в их основании, ведут с учетом сил, возникающих на бо­ковой их поверхности вследствие смерзания с грунтом вечной мерз­лоты. Для свай эти силы учитывают по всей глубине заделки в веч­номерзлый грунт. Для столбчатых фундаментов их в расчет при­нимают лишь в пределах высоты нижнего уступа подушки, если грунт будет засыпан в пазухи котлована с хорошим уплотнением.

Расчетное сопротивление грунтов для условий осевой верти­кальной нагрузки от фундамента определяют по формуле

где k1 m1 и k2 m2 – произведения коэффициентов однородности и условий работы;

τ н i и hi — нормативное сопротивление сдвигу i – го слоя, принимаемое по табл. и его мощность;

u и n — периметр площади поперечного сечения фундамента и количество слоев, в пределах которых происходит смерзание с ним грунта;

R н и F — нормативное сопротивление грунта основания, принимаемое по табл. и площадь подошвы фундамента.

Коэффициенты однородности k1 и k2 принимают равными 0,8.

Для фундаментов из забивных и бурозабивных свай, если они по­гружены в вечномерзлые грунты сетчатой и слоистой текстуры, коэффициент k1 при льдистости грунта Лв >0,1 умножают на вели­чину, равную 1- Лв. Характер текстуры вечномерзлого грунта устанавливают по виду рисунка ледяных включении.

Коэффициент m1 при температуре грунта t > 20º для всех видов фундаментов, кроме свайных, берут равным 0,9. Для забивных и бу­розабивных свай m1 = 1,1, в остальных случаях m1 = 1,0.

Коэффициент m2 для свайных фундаментов, опирающихся по­дошвой на крупнообломочные грунты или на крупные и средне­зернистые пески, принимают при льдистости грунта Лв ≤ 0,03, соответственно равными 2,5 и 1,5. Если для указанных грунтов льди­стость будет Лв >0,3, а также в случае опирания нижнего конца свай на мелкие и пылеватые пески, льдистость которых Лв ≤ 0,1, берут m2=1,2. Для свай, опираемых на лед, а также для деревян­ных свай, погружаемых с пропариванием грунта или в скважины залитые раствором, полагают m2=0. В остальных случаях считают m2=1,0.

При внецентренной нагрузке на основание учитывают, что дей­ствие момента внешних сил на фундамент частично уравновешивается касательными силами, возникающими на боковой его по­верхности вследствие смерзания с грунтом.

При строительстве по методу оттаивания грунтов основания учитывают, что оно происходит в пределах некоторой области, называемой ч а ш е й о т т а и в а н и я (рис.3.2). Размеры чаши устанавливают приближенно по опытным данным или на основе теплотехнических расчетов.

Рис. 3.2. Схема образования чаши оттаивания в вечномерзлом грунте

Если оттаивание грунта происходит в процессе эксплуатации зданий после их возведения, необходимо, чтобы оно протекало медленно и равномерно. Это достигается правильным распределе­нием тепловых агрегатов в помещениях и принятием ряда мер, зат­рудняющих быстрое проникание тепла в грунт (проветривание под­полья, термоизоляционная защита грунта и т. п.).

При проектиро­вании зданий стремятся применять конструкции, менее чувстви­тельные к неравномерным осадкам. Зданиям придают простое очертание в плане, избегая устройства входящих углов. Нагрузку на фундаменты распределяют возможно равномернее и избегают близкого расположения помещений с различным тепловым режимом. В необходимых случаях устраивают осадочные швы для разделения здания на отдельные отсеки, а стены усиливают применением железобетонных или железокирпичных поясов.

В том случае, когда последую­щее оттаивание недопустимо вследствие неблагоприятного качества грунтов, а сохранение мерзлого их состояния крайне затрудни­тельно или дорого, применяют предпостроечное оттаивание, про­изводимое до начала строительства. Его ведут на глубину не ме­нее 60% от расчетной глубины оттаивания, определяемой на пе­риод первых 10 лет эксплуатации возводимых зданий и сооружений.

Большой интерес представляет сочетание электрооттаивания грунтов с их электроосушением. Здесь происходит не только обез­воживание оттаивающей толщи, но и одновременное уплотнение грунтов, что улучшает их строительные свойства. Метод предпост­роечного электрооттаивания и уплотнения грунтов нашел приме­нение на строительстве ряда объектов в Воркуте.

Глубину заложения фундаментов на грунтах, подвергнутых оттаиванию или находящихся в стадии оттаивания, устанавливают, как и при строительстве на талых грун­тах. Коэффициент теплового влияния зданий принимают mt = 1,2 у на­ружных стен, если вдоль этих стен уст­роены отмостки или асфальтовое покры­тие. Когда таких отмосток и покрытий нет, берут mt= 1,0. Для внутренних стен значение mt =0,8.

Источник: megaobuchalka.ru