Особенности проведения инженерно-геологических изысканий в криолитозоне

Резкое различие в поведении мерзлых грунтов и оттаявших грунтов и различные выработанные практикой приемы строительства на этих грунтах привели к разделению методов использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений по двум основным принципам:

– принцип I - многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

– принцип II - многолетнемерзлые 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).

Для мерзлых грунтов нормативные документы позволяют корректно составлять технические задания и проекты для инженерно-геологических изысканий, так как в них детально отражена стадийность исследований, для каждой стадии приведены виды работ, используемые в расчетах оснований показатели состава и свойств определяются в зависимости от принципа применения грунтов по гостированным методикам. Упрощенная пошаговая схема определения видов работ приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема определения видов работ при составлении проекта инженерно-геологических изысканий в криолитозоне

Подразделение мерзлых грунтов по состоянию при проектировании оснований следует производить в зависимости от их температуры в соответствии с ГОСТ 25100, согласно которому они делятся на:

твердомерзлые – практически несжимаемые грунты с коэффициентом сжимаемости d £ ,01 МПа^-1, прочно сцементированные льдом, характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузками от сооружений; к твердомерзлым относятся песчаные и глинистые грунты, если их температура ниже: для пылеватых песков – 0,3° С; для супесей – 0,6° С; для суглинков – 1°С; для глин – 1,5° С;

пластичномерзлые – грунты с коэффициентом сжимаемости d > 0,01 МПа^-1, сцементированные льдом, но обладающие вязкими свойствами (вследствие содержания в них значительного количества незамерзшей воды), способные сжиматься под нагрузками от сооружений;

сыпучемерзлые – несцементированные льдом вследствие малой влажности песчаные и крупнообломочные грунты.

Выбор принципа использования многолетнемерзлых 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 с учетом инженерно-геологических условий участка работ и конструктивных особенностей сооружений, согласно схеме приведенной на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Выбор принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания сооружений

В пределах застраиваемой территории (промышленный узел, поселок, городской микрорайон и т.д.) надлежит предусматривать, как правило, один принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований. Применение разных принципов использования многолетнемерзлых 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.).

Линейные сооружения допускается проектировать с применением на отдельных участках трассы разных принципов использования многолетнемерзлых 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.

При проектировании и строительстве на многолетнемерзлых грунтах следует предусмотреть меры, обеспечивающие сохранности и сооружений и требуемые эксплуатационные ка­чества. Это достигается выбором конструктивной оптимальной схемы сооружения, типа фундамента, методов улучшения строительных свойств грунтов основания и регулирования теплового взаимодействия сооружений с основаниями. Совокупность всех мероприятий (или части) принято называть способом обеспече­ния устойчивости инженерных сооружений. Способы обеспечения устойчивости сооружений приведены на схемах (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Способы обеспечения устойчивости сооружений

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений по принципу I для сохранения мерзлого состояния грунтов основания и обеспечения их расчетного теплового режима в проектах оснований и фундаментов необходимо предусматривать: устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей зданий, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов, установку сезоннодействующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов – СОУ, а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания.

Подполья в соответствии с теплотехническим расчетом и условиями снегозаносимости допускается устраивать открытыми, с вентилируемыми продухами в цоколе здания или закрытыми; при необходимости у продухов следует устраивать вытяжные или приточные трубы, располагая воздухозаборные отверстия выше наибольшего уровня снегового покрова. Закрытые подполья, а также холодные первые этажи зданий рекомендуется устраивать при ширине зданий до 15 м и среднегодовых температурах грунта T₀ ниже минус 2 °С.

а)	б)
Рис. 2.4. Конструкции сооружений при I принципе использования грунтов основания: Границы ММП: 1 - в естественных условиях, 2- сформировавщиеся в процессе эксплуатации, 3 - после предварителного промораживания; подполья: проветриваемые сквозные, б – проветриваемые закрытые с продухами, в – с холодным первым этажом []

Рис. 2.5. Схемы cаморегулирующихся охлаждающиех установок: а — воздушное с принудительной циркуляцией воздуха; б — жидкостное с естественной конвекцией теплоносителя; в — жидкостное с принудительной циркуляцией теплоносителя; г — парожидкостное; Нgr — глубина СОУ; Нout — высота наземной части СОУ
Наиболее эффективным является машинное охлаждение (замораживание) грунтов аммиачно-рассольными установками, обеспечивающими теплосъем до 300 Вт/м2 замораживающей колонки. Достигнутая в настоящее время глубина промораживания грунтов для проходки шахтных стволов составляет более 600 м.
Решить проблему надежности фундаментов в таких сложных условиях удалось с помощью термостабилизации — искусственного замораживания термостабилизаторами талых и понижения температур мерзлых грунтов в основании сооружений. Для этих целей в ФГУП «Фундаментпроект» разработали и серийно выпускают несколько моделей термостабилизаторов. Термостабилизатор — это па рож ид костное устройство для охлаждения грунтов, представляющее собой металлическую герметично запаянную, заправленную хладагентом трубку диаметром от 36 до 57 мм, длиной от 6 до 10 м и более, состоящее из конденсатора с оребрением (надземной части длиной в пределах 1—2,5 м) и испарителя (подземной части длиной от 5 до 9 м и более). Работа осуществляется без внешних источников питания, только за счет законов физики — переноса тепла вследствие испарения в испарителе хладагента и его поднятия в конденсаторную часть, где пар конденсируется, отдавая тепло, и стекает по внутренним стенкам трубы вниз. В качестве хладагента в ФГУП «Фундаментпроект» применяется экологически безвредный, не воспламеняющийся и взрывобезопасный фреон R22.

Высота подполья должна приниматься по условиям обеспечения его вентилирования, но не менее 1,2 м от поверхности планировки грунта до низа выступающих конструкций перекрытия; при размещении в подполье коммуникаций - по условиям свободного к ним доступа, но не менее 1,4 м. Под отдельными участками сооружения шириной до 6 м при отсутствии в них коммуникаций и фундаментов высоту подполья допускается уменьшать до 0,6 м.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I могут применяться свайные, столбчатые и другие типы фундаментов, в том числе фундаменты на искусственных (насыпных и намывных) основаниях. Выбор типа фундамента и способа устройства основания устанавливается проектом в зависимости от инженерно-геокриологических условий строительства, конструктивных особенностей сооружения и технико-экономической целесообразности.

По условиям применимости и способам погружения в вечномерзлый грунт сваи подразделяются на:

а) буроопускные - сваи сплошные и полые, свободно погружаемые в скважины, диаметр которых превышает (не менее чем на 5 см) размер их наибольшего поперечного сечения, с заполнением свободного пространства раствором глинисто-песчаным, известково-песчаным или другого состава, принимаемым по условиям обеспечения заданной прочности смерзания сваи с грунтом, с добивкой до погружения сваи в ненарушенный грунт; допускаются к применению в любых грунтах при средней температуре грунта по длине сваи минус 0,5 °С и ниже;

б) опускные - сваи сплошные и полые, свободно (или с пригрузом) погружаемые в оттаянный грунт в зоне диаметром до двух наибольших поперечных размеров сваи; допускаются к применению в твердомерзлых грунтах песчаных и пылевато-глинистых, содержащих не более 15% крупнообломочных включений при средней температуре грунта по длине сваи не выше минус 1,5 °С;

в) бурозабивные - сваи сплошные и полые, рассчитанные на восприятие ударных нагрузок и погружаемые забивкой в лидерные скважины, диаметр которых меньше наибольшего размера поперечного сечения сваи; глубина погружения острия сваи должна быть больше глубины лидерной скважины; допускаются к применению в пластичномерзлых грунтах без крупнообломочных включений на основании пробных погружений свай на данной площадке;

г) бурообсадные - полые сваи и сваи-оболочки, погружаемые в грунт путем его разбуривания в забое через полость сваи с периодическим осаживанием погружаемой сваи; применяются при устройстве свайных фундаментов в сложных инженерно-геокриологических условиях и при наличии межмерзлотных подземных вод;

д) забивные - сваи сплошные и полые, погружаемые забивкой на локальных участках развития талых грунтов, подлежащих промораживанию в ходе строительства и эксплуатации; применяются при устройстве свайных фундаментов в сложных инженерно-геокриологических условиях при наличии участков грунтов, талых по всей глубине погружения свай; при их устройстве следует руководствоваться требованиями СНиП 2.02.03-85.

Расстояние между осями свай следует принимать равным:

– для буроопускных и бурообсадных свай - не менее двух диаметров скважины при ее диаметре до 1 м включительно и не менее диаметра скважины плюс 1 м при ее диаметре 1 м и более;

– для опускных и бурозабивных свай - не менее трех наибольших размеров поперечного сечения сваи.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу II следует, как правило, применять:

а) для сооружений с жесткой конструктивной схемой, возводимых на оттаивающих грунтах, - усиленные армопоясами ленточные фундаменты, в том числе в виде жестких перекрестных лент, воспринимающих и перераспределяющих усилия, вызванные неравномерной осадкой оттаивающего основания, а в необходимых случаях - плитные фундаменты; на предварительно оттаянных и уплотненных грунтах допускается применять столбчатые, ленточные и другие виды фундаментов на естественном основании, а также свайные фундаменты, если это обусловлено грунтовыми условиями;

б) для сооружений с гибкой конструктивной схемой - столбчатые и отдельно стоящие фундаменты под колонны, гибкие ленточные фундаменты, а в необходимых случаях также свайные фундаменты.

В случаях, когда в основании сооружения залегают скальные или другие малосжимаемые при оттаивании грунты, следует применять столбчатые фундаменты, свайные фундаменты из свай-стоек, в том числе из составных и буронабивных свай.

Сваи следует погружать, как правило, буроопускным способом в скважины, диаметр которых не менее чем на 15 см превышает наибольшие размеры поперечного сечения сваи, с заполнением свободного пространства грунтовым, цементно-песчаным или другим раствором.

Мероприятия по уменьшению деформаций основания должны обеспечиваться:

а) уменьшением деформативности грунтов основания путем предварительного (до возведения сооружения) искусственного оттаивания и уплотнения грунтов или их замены непросадочным при оттаивании песчаным, крупнообломочным или талым грунтом;

б) регулированием теплового взаимодействия сооружения с грунтами основания в процессе эксплуатации.

Рис. 2.6. Конструкция фундаментов при II принципе использования грунтов в качестве основания: а – с допущением оттаивания в процессе эксплуатации, б – c предварительным оттаиванием многолетнемерзлых грунтов, в – по методу стабилизации положения положения верхней границы ММП; границы; 1 - многолетнемерзлых грунтов в естественных условиях, после предварительного оттаивания, 3 – сформировавщихся в процессе эксплуатации, 4 - сезонномпромерзающего слоя

На участках развития мерзлых грунтов основания сооружения зоны оттаивания или замены этих грунтов в плане должны выходить за контуры сооружения на расстояние B_th, м, определяемое по формуле

где С_n – удельное сцепление оттаянного или талого грунта, Па (т/м );

γ_th – удельный вес оттаянного или талого грунта, для водонасыщенных грунтов, определяемый с учетом взвешивающего действия воды, Н/м (т/м );

h_b,th – глубина оттаивания или замены грунтов, м;

k_ξ – коэффициент бокового давления, принимаемый равным: для песков – 0,76, для супесей – 0,72, для суглинков – 0,62, для глин – 0,43, б/р.

φ_n – угол внутреннего трения оттаянного или талого грунта, град;

Допускается производить локальное предварительное оттаивание грунтов под фундаментами (вместо сплошного оттаивания под всей площадью сооружения), если это обосновано расчетом основания по деформациям и устойчивости.

Оттаивание грунтов оснований можно производить способами электрооттаивания, парооттаивания или за счет других источников тепла. При этом должны быть предусмотрены меры по обеспечению установленной проектом степени уплотнения оттаянного грунта.

При уплотнении оттаянных грунтов за счет естественной консолидации допускается производить устройство фундаментов при достижении скорости консолидации не более 0,02 см/сут.

Выбор принципа строительства на многолетнемерзлых грунтах и способа его обеспечения основывается, с одной стороны, на всестороннем изучении геокриологических условий территории с учетом их возможных изменений при строительстве и эксплуата­ции сооружений, с другой – на учете конструктивных особенно­стей сооружений (размеров фундаментов, используемых строи­тельных материалов, сроков службы сооружений), режимов экс­плуатации (с тепловыделением или без него с применением мокрого или сухого процесса и т.д.).

При проектировании оснований и фундаментов сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, следует выполнять теплотехнические расчеты основания и расчеты основания и фундаментов на силовые воздействия. В расчетах основания и фундаментов надлежит учитывать принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания, тепловое и механическое взаимодействие сооружения и основания.

Основания и фундаменты следует рассчитывать по двум группам предельных состояний:

по первой – по несущей способности,

по второй – по деформациям (осадкам, прогибам и пр.), затрудняющим нормальную эксплуатацию конструкций сооружения или снижающим их долговечность. Элементы железобетонных конструкций следует рассчитывать также по трещиностойкости.

На рис. 2.7 перечислены расчеты проводимые при проектировании в криолитозоне в зависимости от принципа и состояния грунта. Расчет оснований по деформациям следует производить на основные сочетания нагрузок и воздействий; расчет по несущей способности: на основные и особые сочетания нагрузок и воздействий [8].

Рис. 2.7. Расчеты оснований по предельным состояниям

При строительстве вне области развития многолетнемерзлых пород обычно принимается, что вся нагрузка от сооружения пе­редается через подошву фундамента на грунтовое основание, а грунты, соприкасающиеся с боковой поверхностью фундамента, только в отдельных случаях (сваи, глубокие фундаменты) прини­мают вертикальную нагрузку.

Иначе оценивается работа фундамента (его взаимодействие с грунтом) в районах глубокого сезонного промерзания и развития многолетнемерзлых грунтов. Здесь нагрузка передается на грунт через все поверхности соприкосновения с ним фундамента. Это связано с тем, что происходит смерзание поверхности фундамента с грунтом, в результате чего касательные и нормальные усилия передаются от грунта к фундаменту и от фундамента к грунту. Величина передаваемых усилий при этом ограничивается прочностью смерзания.

Направление усилий, которые возникают при взаимодействии фундамента с грунтом, может изменяться во времени и зависит от того, в каком слое (сезонном или многолетнем) располагается фундамент.

В пределах слоя сезонного промерзания (протаивания) касательные усилия, передаваемые грунтом фундаменту, направлены снизу вверх и развиваются в течение части года, в период промерзания этого слоя и его пучения.

В пределах слоя многолетнемерзлых пород в результате смерзания грунта с боковой поверхностью фундамента мерзлый грунт принимает от фундамента часть нагрузки не только через его поленту, но и по всей боковой поверхности. В то же время боковое смерзание нижней части фундамента с многолетнемерзлыми слоями породы в целом увеличивает сопротивление фундамента выпучиванию, которое возникает при промерзании грунтов слоя сезонного протаивания. В зависимости от совокупного действия нормальных и касательных сил, сил выпучивания (а также и трения) фундамент может находиться в устойчивом состоянии или перемещаться (выпучи­ваться, оседать). Неравномерное перемещение фундаментов вверх или вниз служит, как правило, основной причиной деформации зданий и сооружений. Закладывая фундаменты глубже глубины сезоннопромерзающего или сезоннопротаивающего слоя, можно добиться того, что влияние ежегодных процессов пучения и осадки грунтов распространяется только на часть его боковой поверхности. Фундаменты, заложенные целиком в слое сезонного промерзания-протаивания, испытывают влияние пучения и осадки не только через боковую поверхность, но и через подошву фундамента.