Образование морозобойных трещин в деятельном и вечномёрзлом слоях грунта

При промерзании оголённых от снега поверхностей грунта (резкое понижение температуры) происходит его объемное уменьшение, сопровождающие часто образование клинообразных щелей (трещин). Глубины этих щелей – трещин достигают нескольких метров, а ширина раскрытия – 10…15 см (см. схему). Морозобойные трещины пересекают не только деятельный слой, но проникают и в многолетнюю мерзлоту. В трещины с течением времени проникает вода, которая затем превращается в лёд, а это способствует дальнейшему росту образовавшейся морозобойной трещины.

Схема развития явлений образования морозобойных трещин в деятельном слое грунта.

Такие морозобойные трещины приводят к изменению глубины промерзания. Могут нанести ущерб дорожному полотну, зданиям, инженерным сетям.

Образование «термокарста» в деятельном и вечномёрзлом слоях грунта

Термокарст – явление образования карстовых воронок в результате оттаивания деятельного слоя, многолетней мерзлоты и просадки грунта. В большинстве случаев этому способствует местные пожары. Впоследствии такой термокарст часто заполняется водой, образуя термокарстовые озёра, характерные для тундровой зоны (см. схему).

Схема развития термокарстовых озёр в тундровой части Севера.

Таким образом, отмеченные температурно-деформационные явления в деятельном и многолетнемёрзлом слоях грунта в большой степени зависят от изменения внешних факторов, вносимых человеком при освоении данной территории.

Первый принцип проектирования фундаментов на вечномёрзлых грунтах

Существуют два принципа проектирования сооружений на вечномёрзлых грунтах. Первый принцип заключается в сохранении вечномёрзлого состояния грунтов.

Данный принцип или метод целесообразно применять в тех районах, где:

• Многолетнемёрзлый грунт имеет значительную мощность;

• сооружения выделяют значительные количества тепла и не занимают больших площадей в плане.

Расчётно-теоретическое и конструктивное обоснование этого принципа было произведено в конце 20-х годов прошлого века. Однако по такому методу строили здания ещё раньше (Чита, Иркутск, Хабаровск). В настоящее же время этот метод является общепризнанным и универсальным, поскольку позволяет наилучшим образом использовать высокие строительные качества любых мёрзлых грунтов. По этому методу построено много промышленных сооружений и целые города (Норильск).

Сущность данного принципа заключается в том, что фундаменты здания прорезают деятельный слой и не менее метра заглубляются в слой многолетнемёрзлого грунта. С боковой поверхности (обратная засыпка) фундаменты засыпаются непучинистым грунтом, а между приподнятым над поверхностью грунта полом первого этажа (примерно на 1 м) и грунтом, в конструкции фундамента, устраиваются продухи (см. схему).

Схема устройства фундаментов на вечномёрзлых грунтах по первому принципу строительства.

Продухи представляют собой проёмы, расположенные по периметру здания, предназначенные для пропуска холодного воздуха, выносящего тепловые потоки здания от помещений первого этажа.

В результате наблюдений за зданиями, фундаменты которых были возведены по принципу сохранения вечной мерзлоты, было установлено, что граница многолетней мерзлоты под зданиями со временем поднимается (отсутствие растительности, солнечной радиации). Это способствует ещё большей устойчивости зданий (см. схему).

Схема наиболее вероятного изменения кровли вечной мерзлоты под эксплуатируемым зданием, построенным по первому принципу - сохранения мерзлоты.

Стремясь как можно больше снизить влияния теплового выделения здания на мёрзлые грунты, прибегают к проектированию зданий на столбчатых и свайных фундаментах.

Устойчивость фундаментов запроектированных на вечномерзлых грунтах по первому принципу строительства, в соответствии с примятыми обозначениями на схеме, определяется из условия (см. схему):

где Q – нормативная сила, удерживающая фундамент от выпучивания, вследствие смерзания его боковой поверхности с многолетнемёрзлым грунтом;

N – нормативная нагрузка от веса сооружения;

τсм – касательные силы пучения - нормативная величина сил смерзания грунта к боковой поверхности фундамента, кг /см2;

q – нормативная нагрузка от веса сооружения и грунта на его уступах;

γс – коэффициент однородности и условий работы.

γ1 – коэффициент перегрузки постоянной нагрузки равный 0,9;

γ2 – коэффициент перегрузки сил пучения равный 1,1.

Расчётная схема отдельностоящих и свайных фундаментов при расчёте их на устойчивость в вечномёрзлом слое грунта.

В правой части приведённого неравенства представлены силы, стремящиеся деформировать сооружение вверх, нарушая его устойчивость. Для нейтрализации данных воздействий рекомендуется использовать специальные мероприятия по их уменьшению (создание не пучинистых обсыпок, обмазок и т.п.).