§ 2. Выбор метода использования грунтов в качестве основания по физическим характеристикам и конструктивным особенностям здания

Выбор метода использования грунтов в качестве оснований сооружений зависит от их осадок при оттаивании. Ориентировочное представление о возможных осадках оснований при оттаивании может быть составлено по отдельным физическим характеристикам: объемному весу скелета грунта в мерзлом состоянии γ_м и при оттаивании под давлением 1 ^кг/_см² γ_тп, а также по влажности в природном состоянии W.

Простейшей величиной, характеризующей уменьшение объема мерзлого грунта при оттаивании, является степень просадочности грунта

(III-25)

Грунты считаются условно непросадочными при δ_п<0,03 просадочными при 0,03<δ_п<0,10 и очень просадочными при δ_п>0,10.

Неоднородность грунтов, особенно их различная льдонасыщенность, обусловливает .неодинаковое развитие глубины протаивания под сооружением, а потому и неравномерные осадки, сопровождающиеся возникновением дополнительных усилий в конструкциях; допустимым значениям этих усилий будут соответствовать и допустимые размеры неравномерных осадок.

Величина неравномерной осадки тем больше, чем выше величина абсолютной осадки и поэтому в практике проектирования мерзлые грунты характеризуют по величине последней.

Приближенно величина ожидаемой осадки грунтов определяется из выражения

(III-26)

где δ_ni - степень просадочности рассматриваемого слоя i;

h_i - толщина i-го слоя;

d_i - расчетные толщины ледяных прослоек; принимаются с понижающим коэффициентом k в зависимости от их мощности в естественных условиях: при d_i<3 см k = 0,4; при d_i = 3÷10 см; k = 0,6; при d_i> 10 см k = 0,8.

Количественные данные приведенных выше простейших характеристик, необходимые для ориентировочной оценки строительных свойств грунтов, и в соответствии с ними назначения метода их использования в качестве основания сооружения помещены в табл. III-14 [8]. Окончательный выбор метода производится расчетом основания по предельным деформациям сооружений^*.

^* (Дальнейший текст § 2 составлен В. В. Докучаевым.)

При выборе метода необходимо учитывать нарушение естественного температурного режима грунтов под влиянием тепловыделений возведенных сооружений и изменений условий теплообмена с атмосферой. Последние вызываются удалением растительного покрова, устройством искусственных покрытий (особенно черных), затенением площадок и перераспределением снеговых отложений. Освоение площадок сопровождается их дренированием, в результате которого увеличиваются глубины сезонного протаивания и промерзания.

Таблица III-14. Оценка строительных свойств грунтов по физическим характеристикам для выбора метода использования основания

На глубине заложения фундамента сооружения, запроектированного по методу сохранения мерзлого состояния основания, максимальная температура грунта может повыситься по сравнению с ее значением в естественных условиях. Соответственно* изменится и несущая способность мерзлого основания.

Понижение верхней поверхности льдонасыщенных вечномерзлых грунтов сопровождается неравномерным изменением рельефа, термокарстовыми явлениями, солифлюкцией, наледями и эрозией.

Неотапливаемые здания оказывают обратное влияние на температурный режим основания. Защита поверхности застройкой уменьшает среднегодовую температуру поверхности грунта: в летнее время грунты нагреваются меньше вследствие отсутствия солнечной радиации, а зимой они охлаждаются более интенсивно.

В практике строительства отмечались случаи образования под неотапливаемыми зданиями увеличивающихся со временем перелетков даже в районах, где вечномерзлые грунты до этого не встречались.

Особенно большое влияние на оттаивание грунта оказывает вода; нагревшаяся на поверхности и фильтрующаяся в грунте, она переносит тепло к фронту протаивания, содействуя ускоренному развитию этого процесса.

В результате термокарстовых и эрозийных явлений в грунтах образуются полости, заполненные водой, конвекция или сток которой еще более ускоряют перенос тепла. Поэтому при выборе метода использования основания и решения фундаментов особое внимание уделяется условиям предохранения грунтов отводы.

Часто инженерно-геологические условия площадки позволяют возвести сооружение различными методами. Так, например, величина ожидаемых осадок и скорость их нарастания при заданной ширине одноэтажного здания могут оказаться недопустимыми при намеченном конструктивном решении с применением жестких железобетонных конструкций; в подобном случае оказывается необходимым либо сохранение грунтов в мерзлом состоянии, либо применение искусственных оснований, в частности, предпостроечного протаивания, причем выбор наиболее рационального варианта должен сделать проектировщик. Однако могут быть найдены иные объемно-пространственные и конструктивные решения, при которых величины осадок будут меньше, а их возникновение не вызовет значительных дополнительных усилий в конструкциях. Взамен жестких железобетонных конструкций могут быть применены более гибкие металлические, изменены этажность здания и технологический процесс, тип и расположение оборудования.

Рациональное решение здесь может быть найдено только в результате технико-экономического сравнения различных вариантов.

Можно указать на некоторые общие особенности возведения сооружений, влияющие на выбор метода использования грунтов в качестве их оснований.

Расположение сооружения на генеральном плане и характер застройки. Устройство зданий, насыпей под дороги, закрытых или открытых складов и других сооружений вызывает опускание или, наоборот, поднятие верхней поверхности вечномерзлых грунтов, являющихся водонепроницаемыми, в результате чего меняется гидрогеологический режим на площадке.

Расположенные выше по рельефу смежные сооружения с большим расходом производственной воды всегда представляют большую опасность для мерзлого состояния основания проектируемого сооружения.

Часто на значительное расстояние распространяется тепловое влияние проложенных в грунте санитарно-технических коммуникаций.

Рис. III-16. Деформация жилого дома в пос. Мяунджа Магаданской области вследствие протаивания льдистых грунтов основания на месте ввода труб тепловой сети

В Воркуте [2], например, протаивание грунта вокруг подземных трубопроводов (проложенных без устройства вентилируемых каналов) наблюдалось в радиусе 10 м. На рис. III-16 показано здание в пос. Мяунджа, деформировавшееся в результате протаивания основания, вызванного прокладкой инженерных сетей.

Во всех случаях необходимо учитывать взаимное тепловое влияние температурных полей смежных сооружений, зданий, инженерных сетей, водоемов, складов отходов, в которых развиваются экзотермические процессы, шлаковых отвалов и земляных сооружений.

СН 91-60 допускают для сооружений, строящихся на одной площадке, применение разных методов использования оснований, если исключено их взаимное тепловое влияние. В пределах же одного сооружения применение различных методов не допускается. Так, например, нельзя проектировать по II методу пристройку к цеху, построенному по III методу, и наоборот. С большой осторожностью следует также относиться к реконструкции сооружений. Расширение цеха, построенного по III методу, вызывает увеличение установившейся ранее глубины протаивания и дополнительные осадки существующих конструкций. Пристройка же к зданию, возведенному по II методу, может ухудшить вентиляцию подполья, и имеющихся в цоколе продухов окажется недостаточно для обеспечения расчетной отрицательной температуры мерзлых грунтов на уровне подошвы фундаментов, в связи с чем снизится их несущая способность.

Тепловое влияние сооружения на основание. Как известно, глубина протаивания под зданием тем больше, чем выше температура внутри помещения. Под производственными зданиями с большим тепловыделением зона протаявших грунтов может получить большое развитие. Так, по данным Норильской мерзлотной лаборатории, в течение годичной эксплуатации литейного цеха вечномерзлые грунты в его основании протаяли на глубину 14 м; наличие шлаковой изоляции толщиною 50 см в этом случае не оказало существенного влияния на температурный режим грунтов.

Сохранение грунтов в вечномерзлом состоянии под таким цехом потребовало бы сложных и дорогостоящих устройств.

Устройство термоизоляции пола может лишь несколько уменьшить размеры чаши протаивания под сооружением.

В районах с высокой температурой грунтов в зоне нулевых годовых амплитуд глубина протаивания будет больше, чем в области низких значений.

Необходимо учитывать не только количество тепла, поступающего в грунт от сооружения, но и неравномерность теплового потока по площади застройки. Повышенное местное тепловыделение требует дополнительной теплоизоляции не только при II, но и при III методе во избежание неравномерного протаивания, сопровождающегося неравномерными осадками.

Существенное влияние на стоимость строительства в этом случае могут оказать конструктивные мероприятия по регулированию теплообмена, иногда связанные с необходимостью отказа от блокировки цехов с разными температурными режимами.

Большие трудности вызывают устройства, расположенные по технологическим требованиям ниже уровня пола. При строительстве их по II методу следует стремиться проектировать трубопроводы, газоходы, сборники конденсата по возможности над полом; в случаях, когда это оказывается невозможным, для сохранения мерзлого состояния основания приходится значительно увеличивать высоту сооружения.

Если сооружение строится по III методу, то необходимо предусматривать соответствующую термоизоляцию подземных устройств для предупреждения ускоренного протаивания грунта под ними.

Проникновение в грунт воды приводит в большинстве случаев к катастрофическим деформациям сооружений, построенных по II методу; поэтому для цехов с большим расходом воды следует, в первую очередь, рассмотреть возможность их возведения без сохранения основания в мерзлом состоянии.

Если же такое сооружение неизбежно должно возводиться по II методу, то в проекте должны предусматриваться меры, надежно предохраняющие грунты от всякой возможности попадания воды, даже в случае аварии трубопроводов; кроме того, проектное решение должно обеспечивать возможность быстрого обнаружения утечки воды.

Нагрузки на пол первого этажа часто оказывают решающее влияние на выбор метода использования основания. При небольших нагрузках на полы, например, в жилых, коммунально-бытовых и административных зданиях, устройство пола первого этажа по перекрытию, образующему проветриваемое подполье, не вызывает значительного удорожания конструкции; полы по перекрытию в таких зданиях устраиваются и в районах, где вечномерзлое состояние грунтов не встречается. При значительных нагрузках (например, в промышленных маниях паровозных, мотовозных и пожарных депо, в гаражах и ангарах, складах) устройство пола первого этажа по перекрытию для образования подполья не только усложняет условия эксплуатации сооружения, но и повышает стоимость его строительства.

Встречаются случаи, когда кровля непросадочных грунтов (например, скальных) залегает на глубине, превышающей глубину сезонного протаивания на несколько метров. Эти грунты могут служить отличным основанием для сооружения и тяжелого оборудования, требующего самостоятельных фундаментов. Полы при этом устраиваются либо "висячие" с образованием подполья, к которому не предъявляется никаких требований, связанных с температурным режимом, либо на уплотненных крупноскелетных грунтах, которыми заменяют просадочные грунты основания.

Подсчеты показывают, что для зданий с небольшими нагрузками на полы (жилые, административные, коммунально-бытовые) замена грунта оказывается выгодной на глубину до 2,5 м.

В обычных промышленных зданиях с умеренными нагрузками на полы экономически оправдывается замена грунта на глубину до 4 м.

Для небольших в плане сооружений с очень тяжелыми нагрузками может оказаться целесообразной замена грунтов и на большую глубину.

Динамическая нагрузка должна быть также принята во внимание при выборе проектного решения. В цехах, проектируемых по III методу, установка машин должна производиться с большой осторожностью, так как местная вибрация может вызвать неравномерное уплотнение оснований и осадку зданий.

Конструктивные решения сооружения и условия строительства. В зависимости от проектного решения несущих и ограждающих конструкций сооружений могут быть допущены максимальные величины осадки от 10 до 50 см и скорости их нарастания от 3 до 15 см в год. Наиболее чувствительны к осадкам здания из тонкостенных жестких панелей, которым и соответствуют указанные выше нижние пределы вели чин и скоростей нарастания осадок.

Сроки и производственные возможности часто оказывают решающее влияние на выбор метода строительства. Так, например, иногда приходится отказываться от предпостроечного протаивания грунтов, требующего значительного времени для подготовки площадки к строительству фундаментов. К тому же большинство экономичных способов строительства, связанных с предпостроечным протаиванием основания, оказывается сезонным.