1400

Бели величина осадок оттаивающих и оттаявших грунтов по предварительному прогнозу окажется больше предельных величин для данного вида сооружений (по СНиП П-Б.6—62), то необходи­ мо предусмотреть предпостроечную подготовку основания (пред­ варительное оттаивание грунтов на необходимую по расчету глу­ бину, уплотнение и упрочнение, а иногда и закрепление оттаявших грунтов и т. п. меры).

Метод предпостроечного оттаивания и улучшения оснований применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить будущую осадку оттаивающих и оттаявших грунтов (путем их предвари­ тельного уплотнения под действием собственного веса или приме­ няя некоторые технические меры), а также в случае необходимости уменьшить неравномерность осадок при наличии в основании соору­ жений очень неоднородных по сжимаемости в мерзлом и оттаива­ ющем состояниях грунтов (наличии в отдельных местах неглубо­ кого залегания малосжимаемых, например, скальных пород или сильно сжимаемых, например, торфянистых слоев, а также повтор­ но-жильных клиновидных льдов и т. п.).

Применение метода предатоетроечного оттаивания оказывается целесообразным и при сплошном, но неглубоком залегании (поряд­ ка 5—10 м) практически несжимаемых пород, когда по тем или иным соображениям не применяются сваи-стойки, а также в тех случаях, когда в проектируемом сооружении имеются места с со­ средоточенными источниками тепла, вносящими значительную не­ равномерность в процесс оттаивания основания; в этом случае при соответствующих грунтовых условиях оказывается экономически выгодным предварительно оттаять и уплотнить некоторый объем мерзлого грунта в целях уменьшения неравномерности осадок. В отдельных случаях, например при сбросах теплых и горячих отработанных производственных вод и большой площади основа­ ний сооружений, может оказаться целесообразным (при соответ­ ствующих грунтовых условиях) предварительное оттаивание в той или иной части, на ту или иную глубину вечномерзлой толщи грун­ тов, что, однако, должно выполняться по специальному проекту на основе учета показателей свойств грунтов в оттаивающем и от­ таявшем состояниях: их льдистости, несущей способности и дефор­ мируемости в оттаявшем состоянии. При этом частичное оттаива­ ние грунтов в основании сооружений допускается лишь при обяза­ тельном последующем учете разности возможных осадок отдель­ ных площадей основания (при возведении сооружения по второму принципу) или при последующем искусственном промораживании оттаявших объемов грунта (если сооружение возводится по прин­ ципу сохранения мерзлого состояния грунтовых оснований).

Следует здесь же напомнить, что согласно отмеченному ранее общему положению, вытекающему из условия устойчивости темпе­ ратурного поля грунтов основания, как сооружения в целом, так и весь район застройки в области высокотемпературных вечномерз­ лых грунтов должны быть запроектированы по одному из двух основных принципов строительства сооружений, возводимых в об-

ласти вечномерзлых грунтов. Смешение принципов как для сосед­ них зданий и сооружений, расположенных в одном и том же рай­ оне застройки, так особенно для отдельного сооружения, хотя бы и занимающего большую площадь в плане, в этом случае совер­ шенно не допускается. Исключение составляет лишь низкотемпе­ ратурная северная область вечномерзлых грунтов.

Таким образом, от геокриологических условий места постройкй того или иного района распространения вечномерзлых грунтов, геологического строения местности, физических и механических свойств грунтов в мерзлом, оттаивающем и оттаявшем состояниях, температуры внутри помещений и конструктивных особенностей сооружения (чувствительности конструкций к неравномерным осадкам основания) устанавливается метод проектирования фун­ даментов и возведения сооружений по тому или иному принципу.

§ 2. О методах сохранения мерзлого состояния грунтов оснований

Прежде всего отметим еще раз принципиальную сторону по­ ставленной важнейшей задачи сохранения мерзлого состояния ос­ нований зданий и сооружений, возводимых в условиях распростра­

[формула (VIII.2)] будет прямо пропорционально разности темпера­ тур (0п — 0м ), обратно пропорционально термическому сопротивле­ нию пола Ro и беспрерывно растет с увеличением времени t, т. е. поток тепла от здания к вечномерзлому грунту будет непрерывным,

что и вызовет формирование чаши протаивания, недопустимое при рассматриваемом методе проектирования фундаментов.

При увеличении термического сопротивления пола Ro поток тепла уменьшается, но одной теплоизоляцией его нельзя совершен­ но ликвидировать, так как устроить теплоизоляцию с термическим сопротивлением, большим 3—5 м2-ч-град/ккал, из обычных строи­ тельных материалов практически не удается вследствие чрезвы­ чайной громоздкости (большой толщины) теплоизоляции.

Поэтому, как показывают теплотехнические расчеты, чаша про­ таивания будет образовываться всегда, причем в области высоко­ температурных вечномерзлых грунтов она может и не достичь

стационарного состояния как в субарктической (северной) облас­ ти, т. е. глубина протаивания будет все время растет

В последнем случае сохранность зданий может быть обеспече­ на, например применением фундаментов глубокого заложения (свайных, столбчатых, опор-оболочек и пр.), т. е. закладываемых ниже максимальной глубины установившейся чаши протаивания. Эффективным методом недопущения формирования чаши протаи­ вания и полного сохранения мерзлого состояния грунтов основания

является отвод тепла, выделяемого зданием или сооружением в грунт. Инженерным решением вопроса (с некоторым запасом) бу­ дет полное удаление тепла, выделяемого зданием или сооружени­ ем по всей площади подполья, т. е. -применение системы проветри­ ваемогозимой или круглогодично подполья, что гарантирует со­ хранение и даже усиление мерзлого состояния грунтов основания. Отвод тепла можно осуществлять также по специальным трубам (каналам) при естественной или побудительной их вентиляции, и путем устройства продуваемых крупнопористых каменных подсы­ пок под всей площадью нагрева основания здания. Однако метод вентилируемого зимой или круглогодично подполья нашел самое широкое применение на практике вследствие его простоты и пол­ ной надежности.

Расчет высоты вентиляционных отверстий (продухов) подполья

или сплошных щелей в нем может быть произведен исходя из по­ ложения о полном удалении тепла, выделяемого полом здания в грунт подполья, с помощью вентиляционных устройств.

Первая попытка аналитического определения необходимой ве­ личины отверстий проветриваемого зимой подполья, обеспечиваю­ щих сохранение мерзлого состояния грунтов основания зданий и сооружений, была предпринята автором еще в 1932 г. при проек­ тировании ЯЦЭС, возводимой на берегу р. Лены в г. Якутске *; расчет произведен в запас на случай полного отсутствия ветра.

Практика полностью подтвердила основные положения, приня­ тые в расчете, так как мерзлое состояние грунтов основания не только сохранилось под зданием ЯЦЭС до настоящего времени, но еще и усилилось (граница мерзлых грунтов поднялась на 0,8— 1,2 м против первоначального ее положения и продолжает повы­ шаться до настоящего времени).

В дальнейшем усовершенствованию расчета проветриваемых подполий для сохранения мерзлого состояния грунта основания бы­ ла посвящена работа Н. И. Салтыкова и Н. Н. Салтыковой**, разработавших на основе составления баланса тепла учет тепло­ вых потоков через перекрытие над подпольем и цоколь здания при сезонном промерзании и протаивании грунтов; расчет произво­ дился помесячно путем совместного решения уравнения теплового

* См. сноски на стр. 284.

** Н. И. С а л т ы к о в , Н. Н. С а л т ы к о в а . Теплотехнический расчет проветриваемых подполий. Сб. «Исследование вечной мерзлоты в Якутской рес­ публике», вып. 2. Изд-во АН СССР, 1950.

баланса и уравнения сезонного промерзания-протаивания Грунтов под зданием.

Н. И. Салтыковым введено понятие о модуле проветривания (отношение площади вентиляционных отверстий в цоколе здания ко всей площади пола здания) и составлена таблица их ориенти­ ровочных значений, достаточных для сохранения мерзлого состоя-' ния грунтов основания под зданиями различной ширины с различи ным термическим сопротивлением их пола для трех геокриологи­ ческих зон: северной (субарктической), центральной и южной*.

В работе Г. В. Порхаева **, в разделе, посвященном исследова­ нию подполий, установлено, что основным фактором, определяю­ щим воздухообмен проветриваемого подполья, является ветровой напор, с детальным учетом которого и разработан метод теплотех­ нического расчета, позволяющий запроектировать здание с задан­ ным температурным режимом вентилируемого подполья, обеспечи­ вающим сохранение и усиление мерзлого состояния грунтов осно­ вания ***.

Отметим кратко сущность предложенного автором метода рас­ чета проветриваемого зимой подполья, обеспечивающего сохране­ ние мерзлого состояния грунтов основания, сыгравшего большую роль во внедрении в строительную практику проветриваемых зи­ мой подполий, что, однако, в настоящее время имеет, главным об­ разом, методическое значение, так как впоследствии Г. В. Порхаевым и другими специалистами разработаны более совершенные методы расчета.

При расчете проветриваемого зимой подполья определялась площадь вентиляционных отверстий цоколя здания (продухов), достаточная для отвода естественным тепловым напором всего тепла, поступающего от перекрытия подполья при следующих до­ пущениях:

а) удаляется при помощи проветриваемого подполья все коли­ чество тепла, выделяемое полом здания;

б) боковые теплопотери подполья (в запас) не учитываются; в) влияние ветрового напора на вентиляцию подполья не рас­

где 0п.п — температура потолка подполья; 0„ — температура на­ ружного воздуха (принимается по метеорологическим данным за самый холодный месяц); ао— 'коэффициент передачи тепла от по­ толка подполья к наружному воздуху (обычно а «0,05).

Объем воздуха L, который необходимо удалить из подполья тепловым напором (без учета ветра, с введением коэффициента воздухообмена, равного двум), определится выражением*

где 0=1/273 — коэффициент объемного расширения воздуха, F — площадь пола; 0,31 — теплоемкость воздуха.

Выражая температурный напор в вентиляционных отверстиях цоколя здания по формуле Торичелли для истечения газов из от­ верстий и полагая его равным воздушному напору от разности объемных весов воздуха при наружной температуре Уеан и ^ри сРеД' ней температуре воздуха в подполье у васр, считая нейтральную зону

движения воздуха по середине (на половине высоты) вентиляци­ онных отверстий, получим

где v — скорость движения воздуха в вентиляционных отверстиях, достаточная для пропуска всего расхода нагретого воздуха; р — коэффициент сужения струи отверстия (коэффициент контракции), принимаемый обычно равным 0,65; g — ускорение силы тяжести; hn— высота вентиляционных отверстий подполья.

Отметим, что если в формуле (Л4) v выражать в м/сек, у вер — в кГ/м3, g — в м/сек2, то размерность напора будет в кГ/м2.

С другой стороны, скорость движения воздуха в вентиляцион­ ных отверстиях для пропуска всего объема воздуха L м3/ч (1 м/ч = = 1/3600 м/сек) при суммарной площади всех вентиляционных от­ верстий, равной F0, будет

Назовем коэффициентом проветривания подполья величину

Подставляя в выражение (л6) значение скорости из выражения (л4) и L из (лз), получим

о,31р(0„.п - е „ )

После простейшего преобразования, полагая р да 0,65, а следова­ тельно, р-0,31 да 0,2, окончательно будем иметь

Определив по формуле (IX.3) модуль проветривания подполья М, находят общую площадь всех вентиляционных отверстий в цо­ коле подполья, проветриваемого зимой для сохранения мерзлого состояния грунтов основания, по формуле

или, зная высоту подполья ha, определяют общую ширину всех вентиляционных отверстий В:

(IX.5)

Отметим, что расчет по изложенному способу размеров проду­ хов в проветриваемых подпольях для сохранения мерзлого состоя­ ния грунтов основания полностью оправдал себя на практике, при­ мером чего может служить здание ЯЦЭС. Обследование темпера­ турного режима воздуха и его движения в проветриваемом подполье ЯЦЭС, произведенное Якутской научно-исследователь­ ской станцией, показало, что основной вынос тепла из подпольного пространства происходит за счет ветрового напора, и скорость дви­ жения воздуха в подполье целиком зависит от наличия ветра.

Теплотехнический расчет проветриваемых подполий (для сохра­ нения мерзлого состояния грунтов оснований), как отмечалось ра­ нее, развит Н. И. Салтыковым и особенно Г. В. Лорхаевым *, ко­

торым дано полное аналитическое решение задачи о сохранении мерзлого состояния грунтов основания для зданий, возводимых на вечномерзлых грунтах, как при помощи проветривания подполий, так и с применением охлаждающих труб и вентилируемых воздухо­ проницаемых крупноскелетных подсыпок.

Не останавливаясь здесь на изложении сложных теплофизичес­ ких расчетов (основанных на составлении баланса тепла и учета тепловых и ветровых напоров воздуха в подполье), что выходит за рамки данной книги, отметим лишь часто применяемое на практике весьма простое решение Г. В. ГТорхаева * для определения средней величины модуля проветривания подполья и приведем результаты

ний, и в заключение изложим строительные приемы, применяемые на практике при устройстве проветриваемого зимой подполья.

В случае, когда требуется только сохранение (а не понижение) отрицательной температуры грунтов основания (с помощью проду­ хов или щелей, открытых со всех сторон в цоколе здания) и нет необходимости определять максимальную температуру грунта (для оценки его несущей способности) на уровне подошвы фундаментов, модуль проветривания подполья М при допущении глубины сезон­ ного оттаивания под зданием, равной глубине оттаивания вне зда­ ния, и равномерного распределения давления ветра в течение года, по Порхаеву, будет определяться следующем простым выражением:

где к3— коэффициент застройки, зависящий от расстояния между зданиями / и их высоты h (при />5Л /с3= 1; при l=4h к3= 1,2 и при l=3h /сэ= 1,5); 0Ш 0Ср, 0н — температуры помещения, среднегодовая подполья и среднегодовая наружного воздуха, °С; иср— среднего­ довая скорость ветра, м/сек; Ro — термическое сопротивление пе­ рекрытия над подпольем, м2-ч-град/ккал\ NT— тепловыделения водных и санитарно-технических коммуникаций в подполье, опре­ деляемые по формуле

Г. В. П о р х а е в. Расчет температурного режима оснований зданий и сооружений с круглогодично вентилируемыми подпольями. Сб. «Фундаменты сооружений на мерзлых грунтах в Якутии». Изд-во «Наука», 1968, а также — По­ собие к СНиП П-Б.6—66, Госстройиздат, 1969.

** См. сноску * на стр. 323.

Среднегодовая температура воздуха 0ср в вентилируемом круг­ логодично подполье, согласно «Пособию к СНиП Н-Б.6—66», при­ нимается равной среднегодовой температуре толщи грунтов на уровне нулевых теплооборотов, т. е. 0Ср~0о. Если же основание сооружения сложено пластичномерзлыми грунтами (при темпера­ туре их от 0° до температуры не ниже границы интенсивных фа­ зовых переходов порового льда в воду), то температура грунтов основания, согласно п. 3.24 СНиП.П-Б.6—66, должна быть пони­ жена, при этом принимается:

При Q0> —0,5° С ... 0ср=40о » 0о< —0,5° С ... 0ср=30о

Отметим, что для зданий с повышенным тепловыделением необ­ ходимо учитывать отдельно летний и зимний балансы тепла и ко­ эффициенты аэродинамического обтекания здания потоком воздуха в зависимости от формы здания и его ориентации по странам све­ та, что производится по специальному теплофизическому расчету.

Практически общая высота вентилируемых подполий назнача­ ется по условию эксплуатации сооружений и по СН 353—66: для зданий шириной до 18 м включительно—не менее 0,5 м, а для зданий более 18 м — не менее 1 м. Одна'ко, как показал опыт строительства в г. Норильске, высоту вентилируемого подполья во всех случаях следует назначать не менее 1,2 м, а при широких зда­ ниях и наличии большого числа водных и других коммуникаций в подполье — не менее 1,8 м.

Для определения размеров продухов в вентилируемых под­ польях, достаточных для сохранения мерзлого состояния грунтов оснований, может служить табл. 43 значений модуля проветрива­ ния, составленная Н. И. Салтыковым.

Отметим, что, как показали исследования (М. Д. Головко и В. К. Щелокова) * температурного поля в основаниях, возводимых на вечномерзлых грунтах, с помощью гидроинтегратора В. С. Лукья­ нова, столбчатые фундаменты, прорезающие подпольное простран­ ство, практически не нарушают общей закономерности температур­ ного поля грунтов под зданиями и сооружениями. Однако следует отметить, что опыты были проведены, по-видимому, лишь с моде­ лями фундаментов небольших размеров, ширина которых была меньше глубины залегания мерзлых грунтов основания. Тогда, действительно, при невысоких температурах помещения, как пока­ зали и наши опыты 30-х годов по замеру температур с помощью

районах распространения вечномерзлых грунтов при сохранении мерзлого состоя­ ния основания. Изд. ЦНИИС Минстроя, 1959.

** Н. А. Ц ы т о в и ч. О распределении тепла в моделях фундаментов, по­ ставленных на мерзлый грунт. Бюлл. № 25 Всесоюзного института сооружений. Изд. «Кубуч», 1932.