Требования к фундаментам на вечномерзлых грунтах

Винтовые сваи на вечномёрзлых грунтах

Особо следует обратить внимание на устройство фундаментных оснований на винтовых сваях в условиях вечной мерзлоты. Винтовые опоры давно завоевали популярность в сфере устройства фундаментов для зданий и сооружений в тех местах, где возведение опорных конструкций из других материалов проблематично

Установка винтовых опор соответствует первому методу проектирования оснований зданий. Сооружения и дома, построенные на винтовых сваях, не соприкасаются с грунтом и поэтому не оказывают теплового воздействия на вечную мерзлоту.

Расчёт свайного основания на винтовых опорах в условиях многолетней мерзлоты практически ничем не отличается от расчёта несущей способности свай в районах средней полосы и южных районов страны. Единственным ограничением для использования винтовых свай являются скалистые грунты, почвы с крупнообломочными включениями.

Что такое винтовая опора

Винтовая свая представляет собой цельносварную металлическую трубу с винтовыми лопастями на нижнем её конце. Наконечник сваи для ВГ в корне отличается от обычных винтовых опор. Конец сваи имеет зубчатую коронку, что обеспечивает надёжное прохождение слоёв льда и мёрзлой почвы. Длину сваи определяют из расчёта вхождения конца опоры в однородный по составу грунт на глубину не менее 300мм.

Наконечники винтовых свай для ВГ

Установка винтовых свай

Ввиду особых условий, устанавливают винтовые конструкции только механизированным способом. Механизированная установка представляет собой самоходную платформу с подающей стрелой. Стрела оснащена вращающимся силовым механизмом, в котором закрепляют оголовок винтовой сваи. Под воздействием сил вращения опора ввинчивается в мёрзлый грунт, как штопор в пробку.

Установка винтовых свай механизированным способом

Как видно на снимке, сваи устанавливают на расстоянии друг от друга не более 3 м. Верхние части установленных опор нивелируют под одну отметку. Высоту наземной части свай рассчитывают таким образом, чтобы подполье дома достаточно интенсивно проветривалось. Движение воздушных масс под зданием не даёт проникать в толщу ВГ теплу от постройки.

Несущая способность винтовых опор

Строительная промышленность выпускает винтовые сваи длиной от 2,5 м и более. Размеры диаметров стволов: 58, 89 и 108 мм. По специальному заказу производитель изготовит металлические стойки индивидуальных размеров в соответствии с расчётными данными. В данной таблице указана несущая способность винтовых свай заводского изготовления:

58х2500, мм	89х2500, мм	108х2500, мм
1,6	2,5	3,5
1,4	2,2	3,2
0,3	0,5	0,7
2,8	4,4	6,4

Повышение несущей способности винтовых стоек

Повышают несущую способность металлических опор тем, что внутреннюю полость стволов заполняют бетонным раствором. После срезки верхних частей свай под одну отметку, внутрь стволов заливают жидкий бетон. Во время заливки трамбуют каждый слой раствора толщиной 500 – 700 мм. Для этого внутрь ствола опускают гильзу электрического вибратора.

Заполненная полость ствола опоры бетоном не нуждается в антикоррозионной защите. Внешнюю поверхность опор обрабатывают специальными антикоррозионными составами, предназначенными для эксплуатации в условиях вечной мерзлоты.

Разновидности фундаментов для вечной мерзлоты

Свайные фундаменты

При выборе фундамента для возведения дома на вечномерзлых грунтах стоит учесть глубину их залегания.

Столбчатые фундаменты

При строительстве столбчатого фундамента стоит учитывать, что его нужно правильно углубить. Особенность такого основания заключается в том, что на его возведение не нужны большие денежные затраты. Работы можно легко провести собственными руками, без использования дорогостоящих материалов и специальной техники.

Срок эксплуатации такой конструкции составляет 90 лет, но только при условии, что при строительстве будут выдержаны все требования.

Свайно-винтовая разновидность

Перед возведением конструкции проводят некоторые расчеты и испытания. Это позволяет определиться со следующим перечнем вопросов:

• какова оптимальная длина свай;
• глубина их залегания;
• нужна обвязка или нет;
• существует ли перепад высот
• многие другие нюансы.

Толщина стенки должна быть не меньше 4 мм. Использование таких материалов позволит соорудить прочное основание для многоэтажных сооружений. Чтобы снизить негативное влияние грунта на фундамент, его устраивают несколько ниже уровня замерзания.

Ленточные фундаменты

На вечномерзлых грунтах часто используют и незаглубленные ленточные фундаменты. Недостаток такого основания заключается в том, что оно не подходит для возведения тяжелых зданий. А это значит, что для строительства нельзя использовать кирпич и камень.

Оптимальным вариантом станут деревянные домики. Чтобы повысить несущую способность конструкции, специалисты рекомендуют использовать опоры из монолитных труб и столбов.

Особенности вечномёрзлых грунтов

Возведённые фундаменты на вечномёрзлых грунтах (ВГ) имеют свои отличия из-за особых механических свойств геологических оснований. Признак вечномёрзлого грунта наблюдается при проведении изыскательских работ в наполненной льдом почве, толще покрова, зонах тектонических сдвигов.

Несущая способность ВГ зависит от механических свойств, так называемого «льдоцемента», изменения температурных циклов и прочих явлений. Чтобы произвести расчёт фундамента на вечномёрзлом грунте, необходимо произвести ряд геологических и мерзлотных изыскательских исследований.

Вечномёрзлые грунты скреплены, пронизывающими льдо-цементными связями, которые представляют собой вытянутые прожилки изо льда, проходящие через массив почвы как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Во время наступления тёплого сезона льдо-цементные связи могут частично разрушаться (просто таять). В результате несущая способность грунтового основания существенно падает. В районах с такими условиями почва непригодна для строительства.

Инженерно-геологические изыскания

В расчётах несущей способности и особенностей конструкций оснований зданий и сооружений на ВГ используют данные результатов геокриологических исследований. Исследованиями занимаются специализированные проектные организации в соответствии с нормативной документацией. Нормативные документы включают в себя СНиПы, Госстандарт и другие рекомендации.

Результаты геокриологических изысканий включают в себя:

• характеристики геокриологических данных места строительства – площадь и глубина залегания ВГ, средняя температура, высота сезонного оттаивания грунта, уровень грунтовых вод и прочее;
• данные лабораторных исследований и испытаний образцов грунта в полевых условиях. На основании их делают выводы о механическом свойстве грунта как в мёрзлом, так и в талом состоянии, литологическом виде;
• результаты прогнозирования изменений мерзлотного и гидрогеологического состояния грунта в зависимости от сезонных изменений температур, толщины снеговых осадков, высоты деятельного слоя.

Что учесть при проектировании фундамента?

Каждое строительство начинается с составления проектной документации. Это позволяет учесть все нюансы и проблемы, которые могут возникнуть во время строительства. Когда речь идет о вечномерзлых грунтах, в процессе проектирования необходимо учесть:

• Разницу температур. Это касается как деятельного, так и вечномерзлого слоя грунта.
• Промерзание, а также оттаивание почвы, находящейся выше точки оттаивания грунта.
• Пучение почвы в морозный период. Пучение часто приводит к выпучиванию и дальнейшему разрушению фундамента.
• Движение почвы под воздействием тех или иных сил.
• Глубину оттаивания земли.
• Скорость таяния почвы, что часто приводит к непредвиденным усадкам. В некоторых случаях усадка может составить пару метров (подробные рекомендации Вы найдете в статье о просадочных грунтах).

Необходимо учесть все эти нюансы, то можно спроектировать и соорудить прочное основания под здание на вечномерзлых грунтах. В проектной документации в обязательном порядке должны присутствовать схемы геологического разреза с точными указаниями уровня грунтовых и поверхностных вод.

Выбор строительной площадки

Местоположение строительной площадки определяется в соответствии с назначением возводимого здания и типом его конструкций. Строительная площадка выбирается без наличия наледи и отсутствия паводковых вод.

Участки земли, расположенные у подножия гор, зачастую насыщены наледями, вздутиями пучинистых грунтов и глубинными прожилками льда. На пологих склонах такие явления не наблюдаются. Такие участки наиболее приемлемы для строительства.

Для оценки пригодности участка под строительство производят геодезическую съёмку. Также делают съёмку окружающей местности. Это позволит обрисовать всю картину направления естественных водных потоков, возможность их отвода и устройства канализационных каналов.

Типы вечномёрзлых грунтов

К ВГ относят геологическую толщу, находящуюся в замёрзшем виде на протяжении нескольких тысяч лет. Характеристика и толщина слоёв ВГ в основном предопределены местными уровнем промерзания и годовой средней температурой окружающей среды. Поэтому в некотором районе на соседних участках толщины мёрзлого грунта могут существенно различаться или вообще отсутствовать.

ВГ по строению текстуры различают на несколько типов:

• слитная;
• слоистая;
• ячеистая (криогенная).

Слитная

Такая текстура ВГ состоит в основном из льдоцемента с отсутствием крупных включений. Изредка в такой почве встречаются мелкие гнездовые ледяные вкрапления. В большинстве случаев данная структура преобладает в крупнообломочных, гравелистых ипесчаных грунтах.

Слоистая

Мёрзлоестроение такого типа наблюдается в глинистых и песчаных пылеватых почвах. Такое свойство текстуры обычно встречается в наземных массивах ВГ толщиной от 12 до 27 м и более. Слоистое строение ВГ формируется в результате одностороннего замерзания переувлажнённой почвы, подпитанной миграционным водным подтоком из нижерасположенных слоев грунта. Такое основание практически не пригодно для строительства.

Ячеистая

Сетчатое строение ВГ это результат промерзания глинистых пылеватых грунтов. Этому способствует сильное переувлажнение массива со свободным подтоком воды. Грунты с ячеистой структурой обычно располагаются в верхней части деятельных слоёв.

Что включают предварительные исследования

Взятие почвы на анализ

• информацию о геологических условиях конкретного участка застройки (характер залегания, температуру, величину оттаивания слоя и его промерзания, особенности климата в регионе и др);
• материалы об изучении грунтов, особенности строения, физические характеристики в оттаявшем и замерзшем состоянии;
• информацию о будущих изменениях условий на строительном участке (температурный режим на участке и пр.);
• информацию для учета в проекте мероприятий по охране окружающей среды.

После завершения изысканий выполняется проектирование дома и расчет фундамента.

На этом этапе существуют два варианта использования таких грунтов в качестве основания:

• сохранить вечно мерзлую почву в природном состоянии;
• проектировать дом при таком расчете, что его основа будет в оттаявшем состоянии.

Первый вариант самый популярный и менее дорогой. Однако выбор может быть сделан только с учетом технико-экономических расчетов и эффективности.

Принципы проектирования оснований строений на вечномёрзлых грунтах

Сегодня проектировщики для расчёта фундаментных оснований на ВГ применяют два основных метода проектирования фундаментов на многолетних мёрзлых грунтах (М.М).

Первый метод

Основан метод на сохранении температуры ВГ,не давая возможности оттаивания мерзлоты. Такой способ проектирования используют для районов с залеганием мощных пластов многолетних мёрзлых грунтов. Основные принципы метода были разработаны и осуществлены во втором десятилетии ХХ века. Хотя многие дома и строения в таких городах, как Иркутск, Чита и Хабаровск, были спроектированы и построены по такому принципу ещё в конце Х1Х века.

В основу этого способа включены следующие положения:

• подошва фундамента должна быть погружена в мерзлоту на глубину не меньше 1 м;
• под фундамент делают выемку грунта с таким расчётом, чтобы затем образовавшиеся пазухи заполнить непучинистой почвой;
• обратная засыпка по периметру основания строения в сечении представляет трапецию, обращённой меньшей вершиной вниз;
• строительные объекты должны иметь подполье высотой не менее 0,7 – 1 м;
• по периметру подполья в стенках устраивают технологические проёмы (продухи) для постоянного проветривания помещения.

Схема устройства основания здания по первому принципу

Предназначение продухов заключается в том, что благодаря сквозным отверстиям, подполье постоянно проветривается. Воздушные потоки выносят наружу тёплый воздух и заносят воздушные массы с низкой температурой. Получается своеобразный холодильник, который не даёт проникнуть теплу от дома внутрь мёрзлого основания. Мёрзлый грунт сохраняет постоянную температуру и не теряет свою несущую способность.

В результате наблюдений на протяжении нескольких десятков лет, был сделан вывод о том, что граница вечной мерзлоты под зданием сдвигалась вверх. Это происходило вследствие отсутствия воздействия солнечной радиации, жизнедеятельности деятельного слоя (Д.С). На рисунке показано, как изменяется граница М.М:

Изменение границы кровли М.М под зданием

Устойчивость сооружения, спроектированного по 1-му принципу, определяет по формуле:

K_cQ + K₁ (N + q) >K₂TF

Q – сила, противостоящая выпучиванию грунта;

N – полная нагрузка от веса строения;

T – степень смерзания боковой грани фундамента с грунтом;

q – нагрузка от здания, направленная на уступы грунта;

K_c – к-нт однородности;

K₁ – к-нт перегрузки (постоянная величина равная 0,9);

K₂ – к-нт перегрузки от сил пучения (постоянная величина равная 1,1);

F – касательная сила пучения.

Второй принцип

Данный метод проектирования оснований зданий на ВГ допускает некоторое оттаивание почвы непосредственно под строением. Для этого применяют два способа:

• конструктивный;
• предпостроечный.

Конструктивный

Суть метода заключается в расчёте опорных конструкций зданий и сооружений с большим запасом прочности. Проект допускает неравномерную осадку сооружения в течение долгих лет эксплуатации.

Возможные деформации строения из-за образования чаши оттаивания

Такое явление создаёт условия неравномерной осадки, а это в свою очередь может угрожать целостности конструкций дома. Чтобы этого не происходило, проектные организации при расчётах фундаментов закладывают определённый запас прочности.

Предпостроечный

Применение данного метода проектирования обусловлено рядом причин:

1. Многолетний мёрзлый грунт состоит из неоднородных пород с разными показателями сжатия, как в мёрзлом, так и в талом состоянии.
2. Основание сооружения по всей площади подвергается неравномерному прогреву (наличие котельной и прочее).

Противостоять неравномерной осадке зданий можно только одним путём. Нужно проектировать несущие конструкции с достаточным запасом прочности. Для этого устанавливают дополнительные пояса жёсткости из металлопроката высокого профиля.

Район вечной мерзлоты

Сохранение состояния грунта

Принципиальная схема строения в разрезе с учетом основания

Этот вариант целесообразен для применения, если:

• имеется значительная мощность многолетнемерзлого грунта;
• здания производят выделение большого количества тепла и невелики по площади.

Расчет и обоснование этого варианта был произведен в конце прошлого века. Сейчас он общепризнан и позволяет максимально использовать высокие строительные качества вечномерзлых грунтов.

Суть этого принципа сводится к сохранению изначального состояние грунта, как при возведении строения, так и при последующем его использовании. Это приемлемо при экономической целесообразности сохранения грунта в естественном состоянии.

Легче прочего возводить основания на видах вечномерзлых грунтах, не относящихся к пластично-мерзлым. При наличии таких почв возможно уменьшение температуры основания до необходимых значений. При расчете фундаментов, закладываемых на вечномерзлых грунтах, учитываются предполагаемые разрушения и деформации под нагрузкой.

В этом случае, основной момент – не допустить изменений вечномерзлого слоя. То есть не дать ему изменить свои свойства от тепла, выделяемого эксплуатируемым зданием. Поэтому подполье устраивают холодным и хорошо вентилируемым (через продухи в цокольной части или забирке).

Глубина заложения основания

Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах требуют расчета необходимой глубины заложения. Если следовать принципу 1, то для различных типов сооружений этот показатель будет различен.

Свайные

Вкручивание винтовой сваи под фундамент в условиях вечной мерзлоты

Этот тип оснований имеет существенные преимущества в сравнении с другими, применяемыми на вечномерзлых грунтах. При их устройстве нет необходимости в трудоемких и затратных по времени работах по подготовке котлована. Также они обеспечивают возможность максимальной механизации работ.

Сооружение фундамента этого типа можно проводить в течение всего года. Его конструкция проще, а расход материалов меньше, чем при устройстве других типов.

Фундаменты из свай не проседают, не перекашиваются при глубоком оттаивании почв. Это можно объяснить тем, что сваи и столбы заглубляют на 8 метров и больше. То есть, они располагаются ниже уровня возможного оттаивания вечномерзлых почв.

Свайно-винтовые фундаменты на вечномерзлых грунтах имеют особые характеристики. Для данного типа применяется вид свай, которые ввинчиваются в почву без бурения.

Иногда бурение все же проводится из расчета: размер скважины должен быть равен проектной глубине ее установки, с диаметром сваи меньше диаметра ствола.

Для данного типа глубина закладки основания выполняется на 2 метра больше величины промерзающего и сезонно оттаивающего слоя грунта. Аргументом для такого решения является то, что слой вечномерзлой почвы будет хорошо сопротивляться сжатию.

Остальные типы

Для остальных видов расчет глубины закладки должен исчисляться исходя из следующего показателя: 1 метр больше слоя сезонно оттаивающей почвы.

На насыпном грунте

При проектировании возведения основания на насыпном материале характеристики которого известны.

Глубина закладки не нормируется, а определяется из конкретных условий.

Вариант 2 предусматривает расчет глубины подошвы основания в момент общей оценки слоя сезонно промерзающего грунта и уровня вод в почве.

Все показатели должны учитывать зону оттаивания при эксплуатации здания.