Глава 5
ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА СВАЙНЫХ
ФУНДАМЕНТОВ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
Вечномерзлые грунты залегают в определенных районах территории России, как правило, эта территория принадлежит к Северной строительно-климатической зоне (ССКЗ). Но вместе с тем вечномерзлые грунты встречаются и в других местах, например, в высокогорных районах на юге территории страны. Строительство в этих районах, как правило, не ведется ввиду отсутствия там дорог, промышленных предприятий и капитальных жилых зданий. «Хозяевами» этих мест являются не строители, а спортсмены-альпинисты и в некоторых местах – пастухи высокогорных пастбищ.
В то же время Северная строительно-климатическая зона в последние годы стала активно осваиваться, сооружают большое количество транспортных и промышленных зданий и сооружений, жилых построек.
Районы, относящиеся к ССКЗ, характеризуются не только наличием вечномерзлых грунтов, но и другими особенностями, которые, наряду с вечной мерзлотой, влияют на выбор конструкций сооружений, технологию и организацию их постройки.
5.1. Характеристика вечномерзлых грунтов как оснований
фундаментов
Вечномерзлые грунты в большинстве своем залегают в северной строительно-климатической зоне. В соответствии с действующими нормативными документами, к северной строительно-климатической зоне относятся районы с расчетной минимальной температурой воздуха ниже минус 40 °С. Расчетной температурой считается средняя температура наиболее холодных суток из восьми зим за 50 лет [16].
Северная строительно-климатическая зона (ССКЗ) делится по температуре воздуха на две зоны:
- зона А - с расчетной температурой ниже минус 40 °С до минус 50 °С включительно;
- зона Б - с расчетной температурой ниже минус 50 °С.
Районы с расчетной температурой ниже минус 30 °С до минус 40 °С включительно относятся к суровым климатическим районам, но не относятся к ССКЗ.
Северную строительно-климатическую зону характеризует залегание вечномерзлых грунтов на большей части территории, низкие температуры воздуха, бездорожье и малонаселенность, отдаленность от центральных наиболее развитых в экономическом отношении районов. Эти факторы в значительной мере влияют на выбор конструкции сооружения, технологии и организации работ. На выбор способов сооружения фундаментов больше всего влияет наличие и характеристика вечномерзлых грунтов.
Грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своем составе лед, относятся к мерзлым. Грунты, остающиеся в мерзлом состоянии три года и более, относятся к вечномерзлым грунтам.
Вечномерзлые грунты на территории России распространены на площади 10,5 млн. км2. Верхняя граница их находится на глубине от 0,5 до 4,5 м. Мощность слоя вечной мерзлоты изменяется от нескольких метров до 1,5 км (долина р. Вилюй).
Поверхностный слой, оттаивающий летом и замерзающий зимой, называют деятельным слоем. Различают деятельный сезоннооттаивающий и сезоннопромерзающий слой (рис. 5.1). Сезоннооттаивающий верхний слой зимой промерзает и соединяется с вечномерзлым грунтом. Сезоннопромерзающий слой зимой промерзает, не соединяясь с вечной мерзлотой. Между ними остается слой грунта с положительной температурой - талик.
Вечномерзлые грунты имеют отрицательную температуру, меняющуюся во времени на глубину до 10 - 15 м. На большей глубине температура остается в течение года постоянной. Но эта температура на различной глубине не одинакова и повышается с увеличением глубины. Нижняя граница вечномерзлых грунтов находится на отметке нулевых температур. Мощность слоя вечной мерзлоты зависит от температуры на глубине 10 - 15 м (рис. 5.2). Температура минус 1 °С соответствует мощности слоя 40 - 50 м. Наиболее низкая температура отмечена на севере Таймырского полуострова - 15 °С.
Рис. 5.1. Поверхностные слои вечной мерзлоты
Рис. 5.2. Температурный режим вечномерзлых грунтов
Вечномерзлые грунты могут иметь сплошное, прерывистое или островное распространение. Среди вечномерзлых грунтов встречаются включения талых грунтов - таликов. О наличии и характере распространения вечной мерзлоты можно судить по среднегодовой температуре воздуха. При среднегодовой температуре воздуха до минус 1,7 °С вечномерзлые грунты отсутствуют, при температуре от минус 1,7 °С до минус 3 °С имеет место островная мерзлота, при среднегодовой температуре ниже - 3 °С залегает сплошная вечная мерзлота.
Наличие и расположение льда в мерзлом грунте определяет его криогенную текстуру (рис. 5.3). Различают три вида текстуры: массивную, с равномерным распределением ледяных кристаллов, образовавшихся за счет порового льда; слоистую с ледяными включениями в виде линз и прослойков, ориентированных в одном направлении; сетчатую, имеющую ледяные включения различной ориентации, образующих сеть или решетку. Грунты массивной текстуры при оттаивании сжимаются незначительно, значительную осадку при оттаивании делают грунты сетчатой и слоистой текстуры.
Рис. 5.3. Криогенная текстура вечномерзлых грунтов:
а - массивная; б - слоистая; в - сетчатая;
1 - минеральная часть грунта; 2 - лед
В зависимости от температуры, вида грунта, количества и расположения льда различают твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые грунты. К твердомерзлым относятся песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом, имеющие небольшой коэффициент сжимаемости (менее 0,001 см/кгс). Твердомерзлое состояние наступает при отрицательных температурах: для пылеватых песков ниже минус 0,3 °С; для супесей минус 0,6 °С; для суглинков минус 1 °С, для глин ниже минус 1,5 °С.
К пластичномерзлым относятся песчаные и глинистые грунты, температуры которых находятся в пределах от 0 °С до значений твердомерзлых грунтов. Грунты имеют до 50 % незамерзающей воды, значительно сжимаются от воздействия внешних нагрузок.
К сыпучемерзлым относятся песчаные и крупнообломочные грунты, имеющие отрицательную температуру, но вследствие малой влажности не сцементированным льдом.
Состояние вечномерзлых грунтов после возведения сооружения изменяется с изменением теплового режима. Как правило, при этом наблюдается деградация вечной мерзлоты, под фундаментом образуется чаша протаивания. Деградация мерзлоты происходит из-за нарушения растительного покрова, образования участков накопления воды, большая по сравнению с грунтом теплопроводность фундамента.
Большое влияние на геотермальный режим вечномерзлых грунтов оказывают поверхностные и грунтовые воды.
Реки ССКЗ в основной своей массе текут с юга на север, переносят большое количество тепла, влияющего на температуру грунтов подстилающих русло и часть поймы реки. Поэтому под большими и средними реками, не промерзающими до дна, вечная мерзлота оттаивает на значительную глубину или вовсе отсутствует. Малые реки промерзают до дна, в низовья рек вода не поступает.
Озера в районах залегания вечномерзлых грунтов, как правило, неглубокие, зимой промерзающие до дна. Для них характерен дрейф по направлению господствующего ветра. Перемещение со скоростью 7 - 10 м в год происходит за счет оттаивания и просадки грунтов подветренного берега и подъема силами пучения противоположного берега.
Грунтовые воды различают надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные.
Промерзающие реки, подмерзлотные грунтовые воды, а также родники, питающиеся межмерзлотными и подмерзлотными водами, образуют наледи. С грунтовыми водами связано также явление морозного пучения. Замерзшая в грунте влага увеличивает свой объем на 9 %, одновременно продолжается поступление влаги с ниже расположенного незамерзшего слоя. За счет этого объем замерзшего грунта увеличивается более чем на 9 % объема содержавшейся в нем влаги. Появляются бугры пучения.
При смерзании грунта с боковой поверхностью фундамента увеличение объема грунта ведет к поднятию фундамента. Если же пучение возникает под подошвой фундамента, то конструкция неизбежно будет приведена в состояние, непригодное для эксплуатации. Пучению подвержены грунты с мелкими порами, в которых удерживается свободная вода - глинистые грунты, пылеватые и мелкие пески. Крупнообломочные грунты с заполнением пустот этими грунтами также подвергаются пучению.
Методы возведения фундаментов опор в ССКЗ назначают в соответствии с мерзлотно-грунтовыми и климатическими условиями района. В зависимости от особенностей и возможного изменения физико-механических свойств вечномерзлых грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения принимают один из следующих принципов использования грунтов [16]:
- принцип I - грунты используются в мерзлом состоянии в течение всего периода строительства и всей эксплуатации сооружения;
- принцип II - грунты основания используются в оттаявшем или оттаивающем состоянии.
Принцип I применяется, как правило, при строительстве на твердомерзлых грунтах. Принцип II использования грунтов целесообразен при неглубоком залегании скальных грунтов или при наличии грунтов, дающих при оттаивании осадку, не превышающую допускаемую.
При использовании вечномерзлых грунтов по принципу I обычно возникает необходимость выполнения мероприятий по сохранению вечной мерзлоты или даже понижения температуры вечномерзлых грунтов. Основным типом фундаментов в этом случае являются свайные и столбчатые фундаменты. Они наименее подвержены деформации от пучения грунтов, поскольку имеют небольшую площадь смерзания с грунтами слоя сезонного промерзания, меньше нарушают температурный режим грунтов и достаточно быстро восстанавливается мерзлое состояние грунтов основания вокруг них.