Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах

Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Теплоизоляция фундаментов на вечномерзлых грунтах

Вопросы строительства на вечномёрзлых грунтах приобретают всё большую актуальность. Освоение Арктики, где открыты богатые месторождения нефти и газа, становится одной из приоритетных задач развития страны.

Из-за особенностей вечной мерзлоты строительство в данных условиях имеет свою специфику на всех стадиях реализации строительного проекта: инженерных изысканий, проектирования, строительных работ на площадке.

Специфика проектирования объектов на вечномерзлых грунтах

В зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, а также инженерно-геокриологических условий применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:

  • принцип I – многолетнемерзлые грунты основания остаются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации сооружения;
  • принцип II – использование в качестве основания предварительно оттаявших грунтов или грунтов оттаивающих в период эксплуатации сооружения.

Для объектов на вечномерзлых грунтах проектируются фундаменты на подсыпках из песчаного грунта с теплоизоляцией, что значительно снижает затраты денег и труда на строительство, но при этом сохраняется высокая надежность зданий и сооружений. Подсыпки под фундаменты зданий сооружаются из песка, щебня, гравий, гравийно- и щебеночно-песчаных смесей. Для возведения объектов на подсыпках в условиях вечной мерзлоты распространены ленточные фундаменты, как наиболее надежные и лучше воспринимающие неравномерные деформации, которые необходимо учитывать на стадии проектирования.

Деформации при промерзании-оттаивании материала подсыпки ниже подошвы фундамента могут быть вызваны следующими факторами:

в материале подсыпки могут оказаться глинистые примеси в количестве выше допустимых, что при промерзании подсыпки вызовет ее пучение;

материал подсыпки может быть недостаточно уплотнен, что при передаче на него полезной нагрузки вызовет неравномерные осадки.

В проекты объектов в условиях вечной мерзлоты в качестве теплоизоляции фундаментов целесообразно закладывать ПЕНОПЛЭКС ® .

В течение многих лет накоплен успешный опыт проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов на подсыпках в районах Крайнего Севера по принципу I (сохранение мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации) с применением ПЕНОПЛЭКС ® . Наличие этой высококачественной теплоизоляции в теле подсыпки существенно снижает мощность (толщину) подсыпки и увеличивает надежность вечномерзлых оснований.

Схема обустройства фундамента на вечномерзлом грунте с теплоизоляцией ПЕНОПЛЭКС ®

Разрез вентилируемого подполья здания с фундаментом.

План раскладки плит ПЕНОПЛЭКС ®

Основным документом, регламентирующим проектирование, служит СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». В развитие этого и других нормативов ООО «ПЕНОПЛЭКС СПб» совместно с ФГУП НИЦ «Строительство» разработано «Руководство по применению теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЭКС ® при проектировании и устройстве фундаментов зданий и опор трубопроводов на подсыпках на многолетнемерзлых грунтах». В настоящее время нормативная методика расчета фундаментов на подсыпке с использованием синтетических теплоизоляторов отсутствует, и данный документ восполняет указанный пробел при строительстве на вечномерзлых грунтах. При создании методики выполнен большой объем аналитических расчетов и разработаны математические модели теплового и механического взаимодействия теплоизолированных фундаментов на подсыпке с вечномерзлыми грунтами.

Специфика строительных работ по устройству фундаментов на вечномерзлых грунтах

Устройству фундаментов на подсыпках должны предшествовать следующие подготовительные работы: вырубка кустарника и корчевка пней; осушение площадки путем устройства водоотводных и нагорных канав, кюветов, лотков и т.п. с отводом воды в пониженные места; устройство подъездных путей и ЛЭП; строительство инженерных сетей до колодцев ввода и заглубленных конструкций, предусмотренных проектом.

При устройстве фундаментов на подсыпках следует избегать оттаивания грунтов в основании подсыпки в период строительства, что достигается ведением работ только в зимнее время после промерзания слоя сезонного оттаивания. При этом следует не допускать попадание в тело подсыпки снега и льда. Для ускорения промерзания слоя сезонного оттаивания рекомендуется в пределах контура подсыпки очищать снег.

Строительство фундаментов на подсыпках начинают с отсыпки рабочего слоя, по которому укладываются плиты ПЕНОПЛЭКС ® , затем, если сооружается здание, то по плитам возводятся фундаменты, после чего отсыпается защитный слой и по нему устраивается бетонная или асфальтовая стяжка. Материал, применяемый для устройства подсыпки, должен быть непучинистым (содержание глинистых примесей не должно превышать 10% по весу), в уплотненном состоянии должен дренировать воду.

При возведении монолитных фундаментов следует руководствоваться нормативными документами на производство бетонных и железобетонных работ, а также местным опытом строительства. После монтажа сборных фундаментов или укладки бетона в монолитный фундамент следует произвести досыпку крупно скелетного грунта до проектной отметки с его тщательным уплотнением

После устройства фундаментов и досыпки грунта надлежит закончить планировку площадки вокруг фундамента с обеспечением стока воды от здания.

Преимущества теплоизоляции ПЕНОПЛЭКС®для применения в фундаментах с подсыпкой на вечномерзлых грунтах:

  • Из многочисленных преимуществ высококачественной теплоизоляции ПЕНОПЛЭКС ® наиболее важными для применения в фундаментах на вечномерзлых грунтах являются отличные теплозащитные свойства, высокая прочность и длительный срок службы.
  • Очень низкая теплопроводность материала (0,034 Вт/м-К) обеспечит надежный заслон передаче тепла от фундамента до грунта, который сохранит свое мерзлое состояние на весь период эксплуатации.
  • Теплоизоляция фундамента постоянно находится в нагруженном состоянии, и высокая прочность на сжатие ПЕНОПЛЭКС ® , которая составляет минимум 20 т/м 2 , позволит избежать нежелательных деформаций.
  • ПЕНОПЛЭКС ® сохраняет свои теплотехнические свойства в условиях самой жесткой эксплуатации на протяжении более 50 лет: это показали испытания теплоизоляционных плит на долговечность в НИИ строительной физики (протокол № 132-1 от 29 октября 2001 года).
  • Высококачественная теплоизоляция ПЕНОПЛЭКС ® и надежная методика расчета фундаментов на вечномерзлых грунтах обеспечивают оптимальные технические решения для объектов в условиях Крайнего Севера.

Требования к фундаментам на вечномерзлых грунтах

Север и северо-восток России – это на 60 % почвы, которые находятся в состоянии вечной мерзлоты.

Читать еще:  Из чего сделать откосы на пластиковые окна внутри

Поэтому возведение фундаментов на вечномерзлом грунте – серьезная проблема.

Строительство зданий на таких типах почв требует длительного предварительного этапа до устройства фундамента.

Который предусматривает глубокое инженерное геокриологическое изучение.

Что включают предварительные исследования

После завершения изысканий выполняется проектирование дома и расчет фундамента.

На этом этапе существуют два варианта использования таких грунтов в качестве основания:

  • сохранить вечно мерзлую почву в природном состоянии;
  • проектировать дом при таком расчете, что его основа будет в оттаявшем состоянии.

Первый вариант самый популярный и менее дорогой. Однако выбор может быть сделан только с учетом технико-экономических расчетов и эффективности.

Сохранение состояния грунта

Этот вариант целесообразен для применения, если:

  • имеется значительная мощность многолетнемерзлого грунта;
  • здания производят выделение большого количества тепла и невелики по площади.

Расчет и обоснование этого варианта был произведен в конце прошлого века. Сейчас он общепризнан и позволяет максимально использовать высокие строительные качества вечномерзлых грунтов.

Суть этого принципа сводится к сохранению изначального состояние грунта, как при возведении строения, так и при последующем его использовании. Это приемлемо при экономической целесообразности сохранения грунта в естественном состоянии.

Легче прочего возводить основания на видах вечномерзлых грунтах, не относящихся к пластично-мерзлым. При наличии таких почв возможно уменьшение температуры основания до необходимых значений. При расчете фундаментов, закладываемых на вечномерзлых грунтах, учитываются предполагаемые разрушения и деформации под нагрузкой.

Вследствие чего, чаще всего возводят свайный или столбчатый тип фундаментов. Может быть применен и ленточный фундамент.

В этом случае, основной момент – не допустить изменений вечномерзлого слоя. То есть не дать ему изменить свои свойства от тепла, выделяемого эксплуатируемым зданием. Поэтому подполье устраивают холодным и хорошо вентилируемым (через продухи в цокольной части или забирке).

Оттаивание грунта

Это второй вариант, который применяют реже, и только при условии отсутствия пучинистых почв на строительном участке. В этом случае, деформации почвы при изменениях показателей температур не должны превышать допустимых критических значений.

Его могут оттаивать до устройства фундамента на вечномерзлых грунтах, или производить расчеты, которые допускают возможность их оттаивания во время эксплуатации сооружения.

Глубина заложения основания

Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах требуют расчета необходимой глубины заложения. Если следовать принципу 1, то для различных типов сооружений этот показатель будет различен.

Свайные

Этот тип оснований имеет существенные преимущества в сравнении с другими, применяемыми на вечномерзлых грунтах. При их устройстве нет необходимости в трудоемких и затратных по времени работах по подготовке котлована. Также они обеспечивают возможность максимальной механизации работ.

Сооружение фундамента этого типа можно проводить в течение всего года. Его конструкция проще, а расход материалов меньше, чем при устройстве других типов.

Фундаменты из свай не проседают, не перекашиваются при глубоком оттаивании почв. Это можно объяснить тем, что сваи и столбы заглубляют на 8 метров и больше. То есть, они располагаются ниже уровня возможного оттаивания вечномерзлых почв.

Свайно-винтовые фундаменты на вечномерзлых грунтах имеют особые характеристики. Для данного типа применяется вид свай, которые ввинчиваются в почву без бурения.

Иногда бурение все же проводится из расчета: размер скважины должен быть равен проектной глубине ее установки, с диаметром сваи меньше диаметра ствола.

Далее производится ввинчивание узкопластного типа сваи с литым цилиндрическим наконечником. Размер диаметра лопасти берется меньше 1,5 к стволу сваи.

Для данного типа глубина закладки основания выполняется на 2 метра больше величины промерзающего и сезонно оттаивающего слоя грунта. Аргументом для такого решения является то, что слой вечномерзлой почвы будет хорошо сопротивляться сжатию.

Остальные типы

Для остальных видов расчет глубины закладки должен исчисляться исходя из следующего показателя: 1 метр больше слоя сезонно оттаивающей почвы.

На насыпном грунте

При проектировании возведения основания на насыпном материале характеристики которого известны.

Глубина закладки не нормируется, а определяется из конкретных условий.

Вариант 2 предусматривает расчет глубины подошвы основания в момент общей оценки слоя сезонно промерзающего грунта и уровня вод в почве.

Читать еще:  Работы к линнея послужившие фундаментом для новых исследований живой природы

Все показатели должны учитывать зону оттаивания при эксплуатации здания.

Вывод

Для начала строительства и основания фундаментов на вечномерзлых грунтах нужны серьезные предварительные расчеты и участие специалистов. Это именно тот случай, когда нужен профессиональный подход к возведению дома.

Выбор типа и конструкций фундаментов на вечномерзлых грунтах

Анализ опыта строительства фундаментов разных типов в условиях вечной мерзлоты показывает, что применение бетонируемых на месте конструкций экономически оправдано только при строительстве больших мостов, для массового строительства малых и средних мостов более целесообразно использование сборных конструкций.

Применяемые в настоящее время бетонируемые в котлованах массивные (мелкого заложения) фундаменты требуют больших затрат времени и труда на разработку грунтов, устройство и разборку ограждений, укладку бетонной смеси и уход за ней. Замена бетонируемых в котлованах фундаментов сборными массивными конструкциями не может устранить их общего недостатка — сохранения наиболее трудоемких работ по устройству котлованов и тщательному заполнению грунтом пазух между боковыми поверхностями котлована и фундамента. В случае недоброкачественного заполнения таких пазух (вследствие недостаточного уплотнения укладываемого грунта, особенно при использовании для этой цели бульдозеров) в них возможны длительные застои воды и, как следствие, оттаивание вечномерзлых грунтов и связанное с этим появление не предусмотренных проектом деформаций фундаментов. Учитывая это обстоятельство, фундаменты мелкого заложения рекомендуется проектировать, ориентируясь на использование вечномерзлых грунтов только по принципу II.

Несмотря на отмеченные недостатки, фундаменты мелкого заложения продолжают применять для мостов, что следует рассматривать как вынужденное решение на период до создания и широкого внедрения высокопроизводительного бурового оборудования (для устройства скважин большого диаметра в любых грунтах, включая скальные), необходимого при строительстве столбчатых фундаментов и безростверковых опор.

Фундаменты мостов и труб под насыпями на вечномерзлых грунтах, используемых по принципам I и II, следует проектировать в соответствии со СНиП 2.05.03—84, СНиП 2.02.03—85 и СНиП II-18-76, ориентируясь на данные, указанные в § 62, которые должны быть получены в результате инженерно-геокриологических изысканий. Более подробные сведения по вопросам проектирования фундаментов на вечномерзлых грунтах содержатся в «Инструкции по проектированию малых и средних мостов БАМ» (ВСН 187-76). Все наиболее существенные положения перечисленных нормативных документов по условиям рационального применения фундаментов разных типов, их конструированию и расчету освещены в этой главе.

Проектирование фундаментов малых и средних мостов, а также труб под насыпями сводится, как правило, к привязке к конкретным местным условиям в достаточной степени проверенных на практике типовых проектов опор, пролетных строений и труб.

Если вечномерзлые грунты в оттаявшем состоянии не могут быть использованы в качестве оснований из-за низкой их несущей способности, а в период эксплуатации сооружений они не смогут сохраняться в мерзлом состоянии, то для искусственного поддержания этого состояния применяют охлаждающие установки, которые проектируют по специальной методике.

Фундаменты мелкого заложения применяют преимущественно при их заглублении до 4 м в непросадочные при оттаивании крупнообломочные грунты, гравелистые и крупные пески, твердые и полутвердые глинистые грунты, а также в немерзлые и скальные грунты. В этом случае применение таких фундаментов экономически оправдано, если разработка грунтов в котлованах механизирована и не требует устройства крепления стен котлованов против обрушения грунта.

При выборе типа фундаментов приходится также учитывать, что наличие в русловой части мостового перехода массивных фундаментов мелкого заложения или заглубленных в грунт ростверков свайных фундаментов и связанное с ними неизбежное нарушение природного сложения грунтов (при разработке котлованов и последующем заполнении пазух грунтами нарушенного сложения) нередко приводят к существенному изменению условий протекания подруслового потока и к появлению наледей там, где их не было до постройки сооружения.

Вследствие небольшого заглубления фундаменты мелкого заложения проектируют в виде анкерной плиты, противодействующей ее поднятию при морозном пучении грунтов, с рамной надстройкой для устоев (рис. 11.1, а) и массивной конструкцией для промежуточных опор (рис. 11.1, б), расположенных в русле постоянных водотоков с ледоходом.

В настоящее время лучшими по всем показателям являются фундаменты из столбов диаметром 0,8 м или свай сечением 0,35X0,35 и 0,4X0,4 м. При возведении таких фундаментов с высоким ростверком отпадает необходимость в трудоемких и длительных работах по устройству котлованов. Работы по сооружению этих фундаментов можно комплексно механизировать и проводить круглогодично. Конструкция их проще и расход материалов меньше по сравнению с другими типами фундаментов. Такие фундаменты более надежны, поскольку столбы и сваи можно погрузить без больших дополнительных затрат так, чтобы нижняя их часть опиралась на прочные или на непросадочные при оттаивании грунты, или же заглубить в толщу неоттаивающих в период эксплуатации мостов вечномерзлых грунтов.

Ввиду несомненных достоинств фундаменты из свай или столбов широко применяют в мостостроении. Фундаменты из свай используют преимущественно в немерзлых грунтах без твердых включений, когда сваи можно забить без устройства лидерных скважин.

Читать еще:  Лакокрасочные смеси для защиты деревянного пола

Для средних мостов устои проектируют с фундаментами, ростверк которых расположен над естественной поверхностью грунта (рис. 11.2, а), а промежуточные опоры в местах наличия ледохода — с фундаментами, имеющими заглубленный в грунт ростверк (рис. 11.2, б).


Рис. 11.1. Устой и промежуточная опора с фундаментами мелкого заложения


Рис. 11. 2. Устой и промежуточная опора со свайными фундаментами

Второй принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах. Метод предпостроечного оттаивания

В данном случае уменьшение осадки оттаявших грунтов осуществляется путём предварительного уплотнения под действием собственного веса (см. метод электроосмоса в механике грунтов).

Метод предпостроечного оттаивания применяется в следующих случаях:

· основание сооружения имеет неоднородные по сжимаемости в мёрзлом и талом состоянии грунты;

· проектируемое сооружение имеет сосредоточенные избытки тепла (неравномерность оттаивания основания).

Необходимо помнить, что применение того или другого принципа строительства зависит:

· от особенностей возводимых сооружений;

· геокриологических условий места постройки.

Следует иметь в виду, что строить сооружения надо одним из двух принципов.

Нельзя сочетать эти принципы, как для соседних зданий и сооружений, так и для сооружений, расположенных в одном и том же районе. И особенно это относится для отдельного сооружения.

Расчет основания свай для фундаментов опор мостов по несущей способности многолетнемерзлых грунтов, используемых по принципу I, следует производить в последовательности, приведенной в Части I . При этом значение gn в формуле (1) следует принимать равным 1,4 независимо от числа свай в фундаменте и от положения подошвы ростверка по отношению к поверхности грунта. Значения коэффициентов gc и gt в формуле (2) допускается принимать равным 1,0.

Для кратковременной части нагрузок расчетные значения R и Raf допускается принимать с повышающим коэффициентом nt, равным: для свайных фундаментов железнодорожных мостов 1,35 – при одновременном действии постоянных и временных вертикальных нагрузок; 1,5 – при действии постоянных и временных совместно с временными горизонтальными нагрузками (включая сейсмические нагрузки); для свайных фундаментов автодорожных мостов – соответственно 1,5 и 1,75.

Для железнодорожных мостов на станционных и подъездных путях, городских, а также других мостов, на которых возможны систематические остановки на неопределенное время поездов или автотранспорта, значение коэффициента gc в формуле (2) следует принимать равным 1,0.

Расчет оснований свайных фундаментов по несущей способности многолетнемерзлых грунтов, используемых по принципу II, следует производить в соответствии с требованиями СП 24.13330.2011. При этом расчетное сопротивление оттаивающих грунтов под торцом свай следует принимать по СП 24.13330.2011, как для буровых свай.

Расчет по несущей способности оснований фундаментов мелкого заложения на многолетнемерзлых грунтах, используемых по принципу II, надлежит производить по СНиП 2.05.03.

Фундаменты береговых, переходных и промежуточных опор мостов на крутых склонах, а также фундаменты устоев при высоких насыпях в случаях расположения под несущим слоем пласта немерзлого или оттаивающего (в период эксплуатации моста) глинистого грунта или прослойки насыщенного водой песка, подстилаемого глинистым грунтом, необходимо рассчитывать по устойчивости против глубокого сдвига (смещения фундамента совместно с грунтом) по круглоцилиндрической или другой более опасной поверхности скольжения. Для указанных условий надлежит также проверять возможность появления местных оползневых сдвигов на ранее устойчивых склонах вследствие дополнительного их нагружения весом насыпи и опоры, нарушения устойчивости пластов грунта в процессе производства работ или изменения режима (уровня и скорости течения) подземных и поверхностных вод.

Фундаменты мостов, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, используемых в качестве оснований по принципу II, следует рассчитывать для условий полного оттаивания грунтов основания независимо от их состояния (мерзлое или талое) в период строительства. Расчет по прочности и трещиностойкости свайных элементов следует производить на усилия в расчетных сечениях, возникающие как для мерзлого, так и оттаявшего состояния грунтов основания.

Свайные фундаменты надлежит рассчитывать на совместное действие вертикальных и горизонтальных сил и моментов, принимая перемещения фундаментов пропорциональными действующим усилиям. Независимо от принципа использования грунтов в качестве основания, не следует учитывать сопротивление грунтов перемещениям заглубленного в грунт ростверка фундаментов. В расчетах, включающих определение свободной длины свай, оттаявшие и пластичномерзлые грунты допускается рассматривать как линейно-деформируемую среду, характеризуемую коэффициентом постели, принимаемым как для немерзлых грунтов.

При использовании грунтов в качестве основания по принципу I в расчете допускается принимать, что каждый свайный элемент жестко заделан в твердомерзлом грунте на глубине d, считая от уровня, соответствующего расчетной (максимальной) температуре, при которой данный грунт переходит в твердомерзлое состояние; здесь d – диаметр или больший размер поперечного сечения элемента в направлении действия внешних нагрузок.

В сейсмических районах фундаменты мостов допускается проектировать на любых грунтах, используемых в качестве основания по принципу I. Если грунты используются по принципу II, то следует предусматривать опирание подошвы фундаментов или нижних концов свай преимущественно на скальные или другие малосжимаемые при оттаивании грунты.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector