Строительство зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты

Как строить на «вечной мерзлоте»

Мерзлота впервые была описана ещё русскими землепроходцами Сибири, а её систематическое изучение началось с 90-х годов XIX века, в связи со строительством железных дорог. При Русском географическом обществе в Петербурге тогда же была создана комиссия для изучения мёрзлых пород, куда входили И.В. Мушкетов, А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Рыкачев, К.И. Богданович. В 1929 г. по инициативе М.И. Сумгина и при поддержке В.И. Вернадского в Академии наук СССР была организована Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством В.А. Обручева, а в 1939 г. – на её базе Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева АН СССР в Москве, который включал мерзлотные станции в Арктике и Сибири.

При освоении территорий с вечной мерзлотой возникают различные воздействия на окружающую среду и здания и инженерные сооружения. Во-первых, обычно происходит масштабное воздействие на природные условия в целом, изменяющие микроклимат, растительный покров, режим поверхностных и подземных вод, влажность и состав слоя сезонного протаивания и другие. Это приводит к изменению температур горных пород, глубины оттаивающего летом слоя, положения кровли и подошвы мерзлоты. Изменяются гидрологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, биосфера региона. Таким образом, возводить здания и инженерные сооружения приходится в иной обстановке, чем та, что была до возникновения нарушений, при проведении инженерных изысканий для строительства. Это необходимо учитывать, выполняя прогноз мерзлотных условий района освоения. Во-вторых, различные виды хозяйственного освоения территорий криолитозоны при различных видах строительства (гражданского, промышленного, линейного, гидротехнического) – для целей горнодобывающей промышленности и подземного строительства, развития сельского хозяйства – подразумевают различные виды воздействия на мёрзлые породы и, соответственно, различную их реакцию, что также необходимо учитывать при прогнозе мерзлотных условий. Такой мерзлотный прогноз выполняется на основе инженерных изысканий и научно-исследовательских работ, включающих оценку существующих условий на территории, возможных техногенных воздействий, тепловые расчёты и моделирование температурного режима горных пород, разработку защитных и природоохранных мероприятий. Это нужно выполнять ещё до начала капитального строительства.

По мнению выдающегося геокриолога В.А. Кудрявцева, основателя кафедры геокриологии в МГУ, при этом недостаточно описать существующие мерзлотные условия, «фотографию», по его выражению. Мало лишь измерить температуру в скважинах, которая регистрируется там сегодня, потому что она изменяется. Необходимо выявить закономерности формирования и развития вечной мерзлоты и сезонного оттаивания, оценить роль различных природных факторов, влияющих на температурный режим горных пород. Например, снег имеет выраженное отепляющее влияние, и при сокращении мощности снежного покрова будет наблюдаться понижение температур грунтов, и наоборот. Растительные напочвенные покровы, наоборот, как правило, охлаждают грунты, и при их нарушении, скажем, гусеничной техникой, происходит повышение температур грунтов, оттаивание мерзлоты, термокарст и другие неблагоприятные процессы. Затем следует использовать эти закономерности при составлении мерзлотного прогноза.

Первые сведения об способах возведения сооружений на вечной мерзлоте приведены в 1876 г. в работе инженера И.А. Лопатина, а затем этот вопрос был изучен профессором Николаевской инженерной академии В.П. Стаценко в 1922 г., который и предложил впервые для сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии устраивать проветриваемые подполья. Что касается свай, то ещё в 1907 г. Н.А. Белелюбский применил их при сооружении моста на Екатерининской железной дороге. Эффективный способ изготовления бетонных свай был предложен русским инженером А.Э. Страусом – так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись непосредственно в буровой скважине, в том числе с арматурным каркасом. Сваи Страуса получили распространение в том числе за границей и применяются до сих пор. Сегодня на таких сваях построено, и продолжает строиться значительное количество инженерных сооружений в китайском Тибете.

В Якутске в 1932–1936 гг. впервые была построена Центральная электростанция на фундаментах в виде колонн с башмаками и проветриваемым подпольем, консультировал строительство выдающийся мерзлотовед Н.А. Цытович. Интересно, что в проектировании принимали участие специалисты как Советского Союза, так и иностранные инженеры. Мировая практика ещё не знала такого крупного строительства в условиях вечной мерзлоты, вдали от промышленных районов. Консультант по строительству Днепрогэса Х. Купер отмечал, что проект имел проблемы, «из решения, которых технический мир почерпнул много поучительного».

Сегодня сваи применяются и на магистральных трубопроводах на территории Сибири и в Северной Америке. На территории распространения мерзлоты допускается применение трёх видов прокладки: подземной, наземной в насыпи и надземной.

Однако наземный способ прокладки трубопроводов часто не реализуется из-за высокого риска отказов, прежде всего из-за оттаивания в летнее время, которое приводит к погружению трубопровода. С другой стороны, для нефтепроводов часто другой вариант невозможен, из-за высокой температуры нефти и возможности оттаивания мерзлоты. Поэтому их устанавливают на сваи, как большую часть Трансаляскинского нефтепровода в США. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонноталого слоя применяют установку термостабилизаторов – сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Термостабилизатор (термосифон) – сегодня важная часть многих проектов в криолитозоне. Он работает по принципу переноса зимой естественного холода в основание фундамента и пассивного состояния летом. Когда впервые его придумали в Америке, использовалась обычная труба с керосином. Зимой верхняя часть трубы охлаждается, холодный керосин опускается вниз и понижает температуру грунтов, а летом такой циркуляции нет. Сейчас совершенствуются технологии устройства, увеличивается их эффективность, применяется аммиак, углекислый газ. В Тюмени создано большое предприятие по производству термостабилизаторов «Фундаментстройаркос», которое активно работает в Российской Арктике.

Технологии совершенствуются и в строительстве, изменяется материал свай, его шероховатость, конструкции, способы установки, но принцип, так называемый I принцип строительства на вечномерзлых грунтах, в большинстве случаев остаётся – сохранение грунтов в мёрзлом состоянии. Впрочем, обеспечить мерзлое состояние оснований бывает сложным делом, особенно на территории застройки, если наблюдается снегонакопление или нарушение поверхностного стока.

Впрочем, иногда может применяться и II принцип – с предварительным оттаиванием, например, если по прогнозу мерзлота рано или поздно оттает, следовательно, лучше это каким-то образом сделать ещё до строительства, или даже в процессе эксплуатации, если здание допускает деформации, и в этом случае основание также будет устойчивым. Необходимо быть осторожным при использовании этого принципа, осадки грунтов при оттаивании могут быть неожиданно велики, а их прогноз непрост.

Есть и промежуточный вариант – в частности, так называемый «метод стабилизации», если состояние частично опущенной кровли мерзлоты методами тепловой мелиорации поддерживается в стабильном состоянии. При этом необходим тщательный мерзлотный прогноз и контроль за состоянием основания.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Источник

Тема 8.2. Строительство зданий в районах вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющие по­стоянно в природных условиях отрицательную или нулевую температуру. Такие грунты занимаютоколо48% территории России.

Верхний, покровный слой грунта, расположенный над вечно- мерзлыми 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.

Значительная часть вечномерзлых грунтов находится вльдона- сышенном состоянии или же содержит в себе отдельные включе­ния льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные фунты, которые, обладая высокой не­сущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий.

В районах вечной мерзлоты встречаются также пучинистые грун­ты, располагаемые в толще деятельного слоя, а также наледи, кото­рые могут оказывать разрушающее действие на здания. Пучинистые фунты при сезонном замерзании деятельного слоя могут подвергнуть фундаменты выпучиванию.

Наледи представляют собой вспучивание почвы в виде буфов значительных размеров. Их образование происходит за счет сезон­ного промерзания надмерзлотных грунтовых вод с последующим аккумулированием большого количествальда. Иногда поддсйстви- ем внутренней напряженной воды и льда верхние слои грунта про­рываются, а вода, замерзая, создает сплошные наледи, способные заливать и разрушать постройки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 3398 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

АННОТАЦИЯ

Автором рассматриваются мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, принципы использования их в качестве основания зданий и сооружений, конструктивные решение фундаментов, применяемых на вечномёрзлых грунтах с целью ознакомления с особенностями мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов, с особенностями проектирования фундаментов в условиях вечной мерзлоты, новыми типами фундаментов и др. Собрана и систематизирована информация о свойствах мёрзлых грунтов, об инженерных мероприятиях, применяемых на таких грунтах. Анализ собранных данных показал, какие типы фундаментов стоит применять в строительстве на многолетнемёрзлых грунтах в ближайшей и дальней перспективах.

ВВЕДЕНИЕ

Центральная Сибирь и Дальний Восток – территория, отличающаяся огромными запасами полезных ископаемых. Здесь присутствуют крупнейшие месторождения углеводородов, угля, золота, гелия, меди, алмазов, крупные месторождения цветных, чёрных и редких металлов, фосфоритов урана, олова, и других рудных и нерудных полезных ископаемых. Освоение этих территорий отвечает национальным интересам России. Однако, наибольшая сложность развития инфраструктуры Центральной Сибири и Дальнего Востока обуславливается не только отдалённостью этих территорий, но и инженерно-геологическими условиями. Большую часть этих территорий занимают мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты.

Мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают обширные территории Азии, Северной Америки, Антарктиды, а также в Европе. Общая площадь распространения таких грунтов составляет 35,17 млн. км2 (23 % земной суши), из них 11 млн. км2 в Российской Федерации. В России (рис. 1) мёрзлые и многолетнемёрзлые грунты занимают в основном азиатскую часть, при этом область их распространения простирается вплоть до Северного Ледовитого океана. Они охватывают большую часть Сибири и всю Арктику. [1]

Мёрзлыми называются грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своём составе лёд. Многолетнемёрзлыми являются мёрзлые грунты, находящиеся в таком состоянии в течении трёх и более лет. Благодаря содержанию в своей структуре льда, мёрзлые грунты являются практически несжимаемыми, однако, при оттаивании их несущая способность резко уменьшается и они дают большую просадку. Значительно изменяются и прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов при перемене температур в отрицательном спектре.

Особенности проектирования зданий и сооружений на вечной мерзлоте.

Особые природные и экономические условия районов распространения многолетнемёрзлых грунтов обуславливают особые требования к проектированию, возведению и эксплуатации зданий и сооружений. К таким условиям относятся: суровый климат, мёрзлое состояние грунтов и экономические особенности, связанные с удалённостью и малой освоенностью территорий.

При строительстве на многолетнемёрзлых грунтах повышаются требования к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций и материалов, из которых возводится здание или сооружение. Применяются особые архитектурно-планировочные решения, связанные с длительным пребыванием человека вне улицы. Высокие скорости ветра в таких условиях не только предполагают специальную защиту ограждающих конструкций зданий и сооружений, но и усиление несущих конструкций. Из-за часто повторяющихся ветров объекты заносит снегом, что нарушает транспортное сообщение, проветривание подполий зданий. В связи с этим применяются решения по защите объектов от снегозаносов. [2] Наибольшая же специфичность проектирования зданий на многолетней мерзлоте сосредоточена в вопросах проектирования фундаментов, для этого написан даже отдельный свод правил, СП 25.13330.2012

Принципы использования мёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов в качестве основания.

При проектировании зданий и сооружений на таких грунтах используются два принципа, сформулированные Н. А. Цытовичем. [3] При принципе I грунты используются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации зданий и сооружений. При принципе II – грунты используются в оттаявшем или оттаивающем состояниях.

Инженерные мероприятия для принципа I.

Подполья. Устройство подполья является наиболее распространённым способом регулирования теплового влияния зданий на температурный режим оснований. Оно представляет собой часть здания, заключённое между перекрытием первого этажа и грунтом основания. Непроветриваемые подполья устраиваются в районах с низкими отрицательными температурами и при незначительных

размерах здания в плане, когда основание остаётся мёрзлым за счет бокового охлаждения через грунт. Открытые подполья имеют постоянное сообщение с наружным воздухом. Однако, постоянная низкая температура в открытом подполье создаёт неблагоприятный температурный режим для помещений первого этажа здания. Чтобы снизить влияние низкой температуры на температурный режим помещений первого этажа, часто используются подполья с регулируемым проветриванием. Средством вентиляции для них служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания.

Подсыпки. Их применение целесообразно в случаях, когда грунт основания плохо поддаётся разработке, например, на площадках с ископаемым льдом, при возможности карстовых явлений и пр. [4] В качестве материала для подсыпки хорошо подходят не сцементированные льдом пески средней крупности и крупные, а также крупнообломочные грунты (содержащие частицы размером до 0,1 мм). Высота подсыпки подбирается исходя из того, что высота протаивания под ней была не больше естественной мощности сезоннопротаивающего слоя.

Охлаждающие трубы и каналы. Охлаждающие трубы проводятся на некоторой глубине под всем зданием и объединяются коллекторами, по которым подаётся охлаждающая жидкость или газ. Искусственное охлаждение используется при значительных технологических нагрузках на полы, а также при невозможности использования проветриваемых подполий.

Фундаменты, используемые в многолетнемёрзлых грунтах.

В основном на многолетнемёрзлых грунтах применяются висячие сваи, обеспечивающие несущую способность за счет смерзания боковой поверхности с грунтом и операния острия сваи. [5] Однако, бывают случаи, когда целесообразнее всего применить другой тип фундаментов. Например, когда здание возводится на подсыпке, на площадках с неглубоким залеганием кровли разрушенных скальных пород, а также на площадках с массивами льда, применяются сборные столбчатые фундаменты. Ленточные фундаменты применяют в том случае, когда их подошвы проектируются в пределах насыпи из непучинистых грунтов.

Устройство столбчатых и ленточных фундаментов предполагает большой объём земляных работ, поэтому наиболее рациональных в условиях многолетней мерзлоты является устройство свайных фундаментов.

На многолетнемёрзлых грунтах в большинстве случаев применяются буроопускные сваи с гладкой боковой поверхностью. В предварительно пробуренную на определённую глубину скважину опускают сваю, а пространство между сваей и стенками скважины заполняют грунтовым раствором и выдерживают до смерзания с окружающими грунтами. Нагрузка от сооружения передается на грунты основания через нижний конец сваи и боковую ее поверхность.

Серьёзным недостатком буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью является их малая надёжность в условиях веч-ной мерзлоты за счёт снижения несущей способности со временем. Не последней проблемой в зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов является глобальное потепление.Появилась необходимость появления новых типов свай, позволяющих использовать несущую способность оснований более эффективно. [6]

Несмотря на положительные стороны винтовых свай, таких, как их высокая технологичность и дешевизна, существует ряд серьёзных недостатков. Бурение скважин под такие сваи не прощает ошибок, так как возможно существенное снижение несущей способности основания по боковой поверхности сваи.

Ребристые сваи. Анализ литературы показал, что необходимо стремиться к созданию буроопускных свай с неровной боковой поверхностью, так как именно эта конфигурация позволяет существенно увеличить несущую способность грунтов основания. С этой целью Набережным А. Д. была разработана методика по расчёту таких свай. Они представляют собой сваи с ребристой боковой поверхностью. Грунт под рёбрами таких свай работает на сжатие, что намного эффективнее, чем работа грунта на сдвиг по поверхности смерзания с материалом обычной буроопускной сваи.

При использовании ребристых свай на их ребрах образуется тонкий слой льда. В ребристых сваях нагрузка передается нижними гранями ребер и грунт или грунтовый раствор работает преимущественно на сжатие, вследствие чего наличие льда не будет значительно снижать несущую способность основания. Экспериментальным путём было установлено, что, чем меньше шаг рёбер, тем выше несущая способность. [7]

Ребристые сваи наиболее эффективны в условиях вечной мерзлоты ввиду того, что площадь смерзания поверхности сваи с грунтом больше, вследствие чего повышается несущая способность основания. Использование ребристых свай экономически более выгодно, чем использование буроопускных свай с гладкой поверхностью.

Ремонтные работы повреждённых зданий и сооружений требуют больших затрат. Поэтому, гораздо более целесообразно внедрение в строительное производство нового типа свай. По данным технико- экономического сравнения буроопускных свай с гладкой боковой поверхностью и свай с ребристой боковой поверхностью, экономический эффект при внедрении данного типа свай составит порядка 2 млрд. руб/год.

Источник