Вечная мерзлота покрывает около 22,8 млн км2 земли, (примерно 24 % суши — Северное полушарие). Это явление характерно не только в Арктике и Субарктике, но и за их пределами.
Определение «вечная мерзлота» стоит рассматривать как долговременное существование мерзлых толщ.
На сегодняшний день основными вопросами, связанными с изучением проектирования и возведения зданий в условиях вечной мерзлоты, можно назвать:
– расчеты параметров противооползневых удерживающих конструкций, стабилизирующих солифлюкционные склоны на территориях с вечномерзлыми грунтами;
– проектирование свайных фундаментов на солифлюкционных склонах;
– расчеты скоростей оттаивания массивов вечномерзлых и оттаивающих грунтов и устойчивости склонов и сооружений на территориях с такими грунтами при различных техногенных воздействиях;
– проектирование островных (ледовых и земляных) сооружений на мелководном арктическом шельфе;
– проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов;
– предоставление информации о прочностных и деформационных характеристиках крупнообломочных мерзлых и оттаивающих грунтов различных регионов, определенных в полевых условиях.
Нормативы РФ (ГОСТ 25100–96, СП 25.13330.2012), многолетнемерзлыми грунтами называют грунты, находящиеся в условиях природного залегания в мерзлом состоянии (непрерывно и без оттаивания в течение многих десятилетий, столетий).
При проектировании и возведении зданий и фундаментов под них на вечномерзлых грунтах, необходимо определить тип применения мерзлых грунтов (I или II принцип, СП 25.13330.2012. Исходя из этого, применяя «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах», а также СП 25.13330.2012, необходимо выполнять соответствующие расчеты).
Проектирование зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах основывается исходя из следующих показателей:
– инженерно-геологических изысканий, (c геокриологическими и гидрогеологическими изысканиями, при учете конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий, теплового режима, взаимодействия с грунтами оснований и возможных изменений геокриологических условий в результате строительства и эксплуатации сооружений и освоения территории, устанавливаемых по данным инженерных изысканий.
В пределах северной строительно-климатической зоны для возведения несущих и ограждающих конструкций, необходимо применение материалов, удовлетворяющих требованиям долговременного сохранения нормативной несущей способности и эксплуатации без потери свойств, (исходя из характеристик класса ответственности объекта).
При проектировании и возведении оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах, принимаются во внимание следующие условия:
– условия строительства, характерные для данного региона
– требования к охране окружающей среды
– имеющийся опыт проектирования, возведения и эксплуатации объектов в условиях данного типа климата
– влияние проектируемых зданий и сооружений на существующую застройку
– сохранение температурных характеристик вечномерзлых грунтов, а также недопущение действий, ведущих к деформационным изменениям уже построенных зданий.
Для сдачи в эксплуатацию возведенного объекта, необходимо положительное заключение приемочной комиссии, проверяющей состояние грунтов оснований, конструкций фундаментов на соответствие проектным решениям. Помимо этого, необходимо выполнение комплекса работ по геотехническому мониторингу (ГТМ). Цели ГТМ:
– выявление и предотвращение необратимых процессов в грунтовых основаниях
– выявление деформаций зданий и сооружений
– неразрушающий контроль качества строительных работ нулевого цикла
– выявление эксплуатационной пригодности объектов
На сегодняшний день применяется 2 типа устройства фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов:
– Первый принцип характерен применением грунтов в их естественном, мерзлом состоянии, которое сохраняется как на этапе возведения, так и во время эксплуатации объекта
Второй принцип — основывается на применении вечномерзлых грунтов в оттаянном состоянии.
Более распространен первый принцип. При этом, характерным является применение конструктивной схемы здания с проветриваемым подпольем или подвалом.
Рис. 1. Здания на Ямале. Здание с проветриваемым подпольем
Рис. 2. Норильск. Здание с проветриваемым подпольем
Исходя из условий снегозависимости, а также теплотехнических расчетов, технические подполья бывают:
– открытые (предусматриваются закрытые или вентилируемые продухи в цокольной части объекта)
– закрытые (если ширина объекта не превышает 15 м, а среднегодовая температура грунта менее — 2°С).
Высота проветриваемого подполья должна быть не менее 1,2 метра — от уровня грунта до отметки низа перекрытия. При ширине зданий до 6,0 метров, возможно уменьшение высоты подполий до 0,6 метра на отдельных участках, при условии отсутствия коммуникаций.
Полы в техподполье необходимо выполнять из твердых покрытий, с уклоном в направлении отмостки (для отвода воды).
В случаях устройства поверхностных, а также малозаглубленных фундаментов на подсыпках, широко применяют вент трубы, каналы и вентилируемые фундаменты (с побудительной или естественной вентиляцией).
При отсутствии условий, обеспечивающих поддержание естественных низких температур (перекрытие первого этажа, подвала, фундаментов) характерно применение второго принципа проектирования.
Типы конструкций фундаментов на оттаянных вечномерзлых грунтах:
– фундаменты мелкого заложения
– свайные фундаменты (буронабивные и забивные сваи)
– ФВК (в вытрамбованных котлованах)
– ленточный фундамент (монолитный, сборный железобетон)
При выполнении фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов, применимы три варианта погружения свай:
– буроопускной (применяется при температуре грунта менее -50 градусов
– бурозабивной (забивка свай в выполненные предварительно лидерные скважины с диаметром, меньшим диаметра свай. Данный метод применим в пластичномерзлом грунте, который не имеет крупнообломочных включений).
– опускной (осуществляется методом вмораживания свай. Применим в условиях твердомерзлых грунтов при наличии не более 15 процентов крупнообломочных включений). Данный принцип состоит в локальном оттаивании грунтов с помощью паровой иглы, после чего забивная свая попадает в уже оттаявший грунт. Свая вмораживается в толщу грунта после его промерзания.
На территории Якутии деревянные здания выполняли на деревянных чурбанах еще много лет назад.
Автором революционного метода возведения жилых крупнопанельных зданий на свайных основаниях стал Михаил Ким в 60-е годы (инженер-проектировщик, бывший заключенный Норильлага. Он посвящал изучению характеристик и свойств вечномерзлых грунтов время с 30-х годов прошлого столетия. Написал 42 научные работы, получил за выдающиеся достижения в профессии медаль ВДНХ и Ленинскую премию в 1966 году).
Рис. 3. Михаил Ким (1907–1970 гг.)
Город Норильск возводился на скальных породах. (Фундаменты можно было устраивать стандартным методом). После предложения Кима выполнять фундаменты зданий и сооружений на сваях, жилищное строительство в регионе стало развиваться в огромных масштабах.
Литература:
- Проектирование зданий в особых условиях строительства и эксплуатации В. М. Антонов, В. В. Леденев, В. И. Скрылев. Тамбов, издательство ТГТУ, 2002 г.,240с.
- Березовский Б. И. Строительное производство в условиях Севера. Стройиздат, 1982.-183с
- Березовский Б. И., Либерман И. А., Неклюдов В. С. Справочник мастера-строителя для работ в Северной строительно-климатической зоне. Стройиздат, 1986. 328с.
- Царев В. П. Технико-экономическое сравнение конструкций свай// Проблемы строительства в Якутской АССР.- Вьш.1. Якутск, 1972.-С.47–54.
- Alfred R.Mangus. Thul air base, Greenland. Foundations on permafrost/The northern engineer.-1986, N2 2&3.-P.51–57.
- Данилов Н. Д. Температурный режим цокольного перекрытия в зданиях с холодными подпольями. Жилищное строительство. 1999 г.№ 10.с. 24–26
- СП 25.13330.2012(Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах)
- СП 116.13330.2012 «СНиП 22–02–2003 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения»
