28. Принципы проектирования и устройства фундаментов в вечномерзлых грунтах

Возведение сооружений и их фундаментов на мерзлых грунтах имеет свою специфику, неучет которой приводит к значительным массовым деформациям сооружений.

Основные виды деформаций и их причины: осадки и просадки фундаментов в результате оттаивания мерзлых грунтов в основании, выпучивание фундаментов при замерзании и последующие их осадки после оттаивания грунтов деятельного слоя, деформации за счет наледных явлений.

Вечномерзлые грунты в основании массивных фундаментов могут оттаивать вследствие повышенного поступления теплоты в грунт через фундамент, так как теплопроводность материала фундамента значительно превышает теплопроводность грунта. Неравномерное оттаивание является одной из основных причин неравномерных осадок фундаментов.

Процессы морозного пучения развиваются при промерзании грунтов деятельного слоя. При взаимодействии промерзающего грунта, подверженного морозному пучению, с фундаментом возникают направленные вверх касательные напряжения, действующие по боковым граням фундамента, а также дополнительные нормальные напряжения по подошве фундамента, если она расположена в пределах активной зоны. Если равнодействующая направленных вверх сил пучения превысит действующую на фундамент вертикальную нагрузку и его вес, то он начнет перемещаться вверх по мере развития пучения. Неравномерный подъем фундаментов приводит к деформациям надфундаментных частей сооружения.

При достаточной заделке фундамента в слой вечной мерзлоты, но недостаточной прочности его материала, под действием касательных сил пучения может произойти разрыв кладки фундамента. С стволах ж/б свай при их недостаточном армировании могут образоваться трещины с недопустимым раскрытием, может наступить полный разрыв ненагруженных или малонагруженных свай и последующий подъем их верхних оторванных частей вместе промерзающим пучинистым грунтом.

В настоящее время при проектировании и строительстве сооружений в условиях вечной мерзлоты различают два основных принципа использования мерзлых грунтов в основании сооружений: принцип I предусматривает сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии на весь период строительства и эксплуатации сооружения; по принципу II грунты основания используют в оттаивающем или оттаявшем состоянии.

Использование принципа I – сохранения мерзлого состояния грунтов в основании целесообразно, когда грунты в природных условиях находятся в твердомерзлом состоянии, имеют достаточную мощность слоя и температурный режим их устойчив.

По этому принципу на мерзлых грунтах строят неотапливаемые сооружения, а также здания, отапливаемые до нормальной комнатной температуры. Строительство по принципу I возможно при условии сохранения мерзлого грунта на весь срок существования сооружения.

Требование сохранения температурного режима вечномерзлых грунтов в процессе строительства и в период эксплуатации искусственных сооружений вполне выполнимо. Необходимо предусмотреть, чтобы искусственные сооружения могли пропускать воды без значительного увеличения скоростей течения и размыва дна, без образования перед ними больших подпоров, которые могут быть причиной понижения границы мерзлоты особенно с верховой стороны.

Чтобы грунты основания не оттаивали, опоры должны иметь небольшую площадь их нагрева солнцем, а фундаменты в пределах деятельного слоя – небольшое поперечное сечение и достаточное заглубление, обеспечивающее сохранение мерзлого грунта в основании в летний период и достаточное заанкеривание фундамента в мерзлом грунте против выпучивания в период промерзания деятельного слоя.

В качестве несущих элементов для повышения долговечности сооружений используют сплошные ж/б сваи с увеличенными поперечными размерами и столбы круглой формы сечения. Защитный слой бетона рабочей арматуры в сваях и столбах устраивают не менее 5 см.

Когда грунтовые условия не позволяют погрузить сваи или столбы, а также при отсутствии необходимого для этого оборудования, можно сооружать рамные ж/б опоры. Такие опоры состоят из стоек и сборных фундаментных башмаков. Стойки нужно надежно замоноличивать с башмаками, чтобы последние служили анкерами, противодействующими силами пучения.

Сваи, столбы и стойки имеют небольшую поверхность нагрева по сравнению с опорами массивного типа. Вследствие небольшого сечения свай столбов они меньше подвержены выпучиванию, так как поверхность смерзания с грунтом деятельного слоя у них невелика. Такие конструкции можно надежно заанкерить в мерзлом грунте, что весте с передачей на них значительных нагрузок за счет сокращения их числа дает возможность компенсировать влиянии сил пучения грунта. Влияние этих сил можно уменьшить применением наклонных свай.

В промышленном и гражданском строительстве для отвода теплоты и сохранения мерзлого состояния грунтов под отапливаемыми зданиями и сооружениями применяют два основных, успешно оправдавшие себя на практике: устраивают вентилируемое зимой подполье; под сооружениями прокладывают подземные охлаждающие вентиляционные каналы.

Расчеты фундаментов и оснований при использовании твердомерзлых грунтов по принципу I выполняют главным образом по первой группе предельных состояний, учитывая, что деформации таких грунтов несущественны. Расчет свайных и столбчатых фундаментов по второй группе предельных состояний сводится лишь к определению перемещений фундаментов и опор то горизонтальных нагрузок и моментов.

Возводить сооружение по принципу II целесообразно в том случае, когда мерзлоту под ним сохранить трудно или экономически невыгодно. При строительстве фундаментов по этому принципу возможны два способа использования вечномерзлых грунтов.

По первому способу допускается оттаивание мерзлых грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения. Во втором способе производят предварительное оттаивание до постройки сооружений, а при необходимости укрепляют и оттаявший грунт.

При строительстве сооружений в основном применяют первый способ, когда слой вечномерзлого грунта имеет небольшую мощность, высокую температуру и неустойчивый температурный режим, а также когда этот слой на небольшой глубине подстилается скалой или крупнообломочными грунтами, имеющими высокую несущую способность при положительной температуре.

Фундаменты и основания при использовании принципа II рассчитывают по первой и второй группам предельных состояний. Несущую способность свай и столбов, опертых на скалу или забуренных в нее, определяют с учетом возможного развития негативных сил трения, возникающих при оттаивании залегающих над скалой мерзлых грунтов и их осадке относительно стволов, несущих элементов.

Осадки фундаментов опор, горизонтальные перемещения и углы поворота ростверков свайных и столбчатых фундаментов определяют также для состояния полного оттаивания мерзлых грунтов с использованием соответствующих характеристик деформативности талых грунтов, поскольку наибольшие значения перемещения фундаментов имеют на этой стадии.