§ 6. Конструктивные мероприятия, обеспечивающие заданный температурный режим основания [1963 Велли Ю.Я., Докучаев В.В., Федоров Н.Ф.

В целях стабилизации установившегося температурного режима в основаниях возведенных сооружений предусматриваются специальные меры по регулированию теплового потока в грунт.

Схемы устройств, применяемых для сохранения основания в мерзлом состоянии, приводятся на рис. III-35. К ним относятся устройство в зданиях подполий и неотапливаемых первых этажей, охлаждение оснований наружным воздухом и с помощью охлаждающей жидкости, возведение сооружений на искусственных насыпях и термоизоляционных подушках.

Рис. III-35. Схемы применяющихся устройств для сохранения основания в мерзлом состоянии. а - подполье, вентилируемое наружным воздухом; б - неотапливаемый первый этаж с отрицательной среднегодовой температурой; в - каналы для охлаждения основания наружным воздухом; г - замораживающие колонки для искусственного охлаждения основания; д - трубопроводы для циркуляции охлаждающей жидкости, уложенные в подошве сооружения для охлаждения оснований; е - насыпь, защищающая основание небольшого сооружения от оттаивания; ж - термоизолирующая подушка, предупреждающая оттаивание основания, 1 - верхняя граница вечномерзлых грунтов; 2 - насыпной или замененный грунт; 3 - просадочный грунт; 4 - термоизоляция; 5 - трубопровод; 6 - лоток под трубопроводом для отвода аварийной воды; 7 - вентиляционные шахты; 8 - замораживающие колонки; 9 - раскольные трубопроводы

Подполье (рис. III-35, а) представляет собой часть здания, заключенную между перекрытием первого этажа и грунтом основания. Роль его сводится к созданию условий для удаления поступающего через перекрытие первого этажа теплового потока.

Подполья находят преимущественное распространение в северных районах вечномерзлых грунтов; часто используются они для подвешивания и прокладки систем коммуникации.

Высота подполий (от низа балок до поверхности грунта) определяется по конструктивным соображениям, при этом рекомендуется принимать следующие ее минимальные значения:

На отдельных небольших по площади участках (лестничные клетки, смотровые ямы) допускается местное уменьшение габаритной высоты подполья до 20 см, если при этом не нарушаются условия теплообмена в других частях подполья.

Поверхность грунта в подполье нужно планировать и располагать выше уровня грунта возле сооружения, чтобы избежать застойной зоны воздуха в нижней части подпольного пространства и обеспечить сток воды; для обеспечения беспрепятственного движения воздушных потоков в подполье ленточные фундаменты под внутренние стены устраивать не рекомендуется.

Устройство в подпольях котельных и систем отопления не рекомендуется.

Одним из определяющих факторов сохранения вечномерзлых грунтов в основании является режим подполья, который определяет

конструкцию его ограждающих элементов. Перекрытие над подпольем должно быть непродуваемым; расчетная величина его термического сопротивления зависит от назначения здания и режима вентилирования подполья. Цоколь здания может быть как несущим, так и защитным; в последнем случае он устраивается из поставленных на ребро легких сборных железобетонных плит (каменные здания) или дощатой обшивки (деревянные здания).

В зависимости от периода вентилирования и средств, применяемых для удаления воздуха, различают четыре вида подполья:

К непроветриваемым подпольям прибегают в районах с низкими отрицательными температурами и при незначительных размерах сооружений в плане, когда основание сохраняется мерзлым за счет бокового охлаждения через грунт. В этих случаях продухов или других средств вентилирования подпольного помещения не устраивают. Однако применение непроветриваемых подполий ограничено; предельные размеры отапливаемых сооружений, для которых не требуется проветривания подполий, могут быть определены из табл. III-21.

Таблица III-21. Предельные размеры отапливаемых зданий, под которыми мерзлое состояние грунтов сохраняется без проветривания подполий

t_4м - средняя температура наружного воздуха за 4 наиболее холодных месяца в °С;

t₀ - температура в зоне нулевых годовых амплитуд в °С;

t_в.н - температура внутри- помещения на уровне пола первого этажа в °С;

R₀ - термическое сопротивление перекрытия над подпольем в ^{м²×ч×град}/_ккал.

Рис. III-36. Здание трансформаторной подстанции в г. Воркуте (подполье круглогодично проветриваемое)

Для большинства районов Крайнего Севера необходимо удаление из подполья теплого воздуха. Круглогодично проветриваемые подполья имеют свободное, непрекращающееся в течение всего года сообщение с наружным воздухом (иногда это открытые подполья). Заполнение в цокольной части либо отсутствует (рис. III-36), либо сохранено частично (рис. III-37). Перекрытие первого этажа устраивается по рандбалкам, приподнятым над поверхностью грунта на высоту 0,2-2,0 м.

Рис III-37. Душевой павильон в г. Воркуте с круглогодично проветриваемым подпольем

Основным преимуществом указанных подполий является возможность создания более низкого температурного режима грунтов под зданием; но они имеют и ряд недостатков, к числу которых следует отнести снегозаносимость подполья, создающую неудобства при эксплуатации зданий, а также продуваемость его в летнее время ветром, что способствует беспрерывному приносу теплых потоков воздуха, не вызывающему, однако, понижения ВГВМ. Излишнее охлаждение подпольного помещения в зимнее время неблагоприятно сказывается на температурном режиме внутренних помещений первого этажа. Для жилых зданий этот фактор может оказаться настолько существенным, что нарушит нормальную эксплуатацию помещений и вызовет необходимость применения специальной термоизоляции перекрытия.

Рис. III-38. Жилой дом в г. Норильске (подполье вентилируется через продухи)

Сезонно проветриваемые подполья, средством вентиляции которых служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания, имеют наибольшее распространение в практике жилищного строительства в суровых районах Крайнего Севера (рис. III-38); иногда устраивают их и в промышленных зданиях. Цокольная часть здания, служащая ограждением подполий, может быть выполнена из кирпича, дерева или сборных железобетонных плит (рис. III-39).

Рис. III-39. Примеры конструктивных решений цоколя подполий зданий. а - каменное здание на сваях: 1 - кирпичная кладка; 2 - два слоя толя; 3 - рандбалка; 4 - продух; 5 - фартук из сборных железобетонных плит; 6 - свая ∅30, l = 800 см; 7 - монолитный бетон; 8 - наголовник; б - деревянное здание: 1 - обшивка вагонкой; 2 - отливная доска 22×198 мм прибивается после установки щитов цоколя); 3 - маячный брусок 40×50×800 мм; 4 - зазор на осадку 33 мм; 5 - щит 900×2000 мм; 6 - короб продуха; в - каменное здание (фундамент ступенчатый): 1 - кирпичная кладка; 2 - рандбалка; 3 - кирпичная кладка; 4 - цокольная балка; 5 - бетонный фундамент; 6 - монолитный бетон; 7 - продух

При пучинистых грунтах между цоколем и поверхностью грунта предусматривается зазор или цокольное ограждение устраивается из двух плит, одна из которых может скользить вдоль другой при сезонной пульсации поверхности.

В районах сильной снегозаносимости следует считаться с возможностью закрытия продухов снегом, что необходимо учитывать при разработке их конструкции и назначении размеров. В частности, низ продухов желательно располагать не менее чем на 0,25 м над поверхностью грунта, а на отверстиях предусматривать решетки из бетона или металлических прутьев (литые гипсовые решетки не оправдали себя в эксплуатации).

Форма сечения продухов квадратная или прямоугольная с наиболее часто встречающимися размерами сторон 0,2-0,5 м.

Выбор площади продухов и назначение режима вентилирования являются одним из важнейших вопросов проектирования подполий. Исходными данными при теплотехническом расчете являются: размеры проветриваемой части здания, климатические условия района строительства, конструкция ограждений подполья, температурный режим внутренних помещений в период их эксплуатации, положение и характеристика вечномерзлых грунтов под зданием.

Уменьшение глубины оттаивания грунта под зданием не гарантирует необходимой температуры на заданной глубине, а следовательно и сохранения несущей способности грунта; поэтому расчет подполья на этой основе строить нельзя. Тепловое влияние от зданий может учитываться величиной среднегодовой температуры грунта. Однако метод расчета, в основу которого положено условие обеспечения необходимой среднегодовой температуры поверхности грунта в подполье, пока еще не разработан.

При проектировании подполий в отапливаемых зданиях следует использовать опыт их эксплуатации в данном районе назначая тип и размеры продухов в соответствии с существующими опробированными практикой решениями.

Размеры продухов для гражданских, общественных и небольших промышленных зданий шириной не свыше 30-40 м ориентировочно могут быть приняты по табл. III-22.

Таблица III-22. Модуль проветривания зданий

Рис. III-40. Схематическая карта средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца на Крайнем Севере в ><sup>м</sup>/<sub>сек</sub>

Рис. III-40. Схематическая карта средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца на Крайнем Севере в ^м/_сек

В качестве критерия размера продухов принимается модуль проветриваемости М-отношение площади продухов к площади проветриваемой части подполья; величина модуля определяется в зависимости от географического расположения пункта строительства и средних скоростей ветра в зимний период.

К искусственно вентилируемым подпольям следует прибегать в тех случаях, когда продухи не могут обеспечить требуемый воздухообмен или по каким-либо причинам их работа будет ненадежной.

Приток воздуха в подполье осуществляется через специальные воздухозаборные отверстия в цоколе здания. Теплый воздух выносится из подполья с помощью дефлекторов через вытяжные каналы, которые располагаются в центральной части здания. Для повышения теплового напора целесообразно смежное размещение вытяжных каналов с дымовыми, служащими тепловым побудителем. Количество воздухозаборных отверстий и вытяжных каналов в подполье следует назначать в зависимости от размеров здания в плане так, чтобы обеспечивать создание потоков воздуха, обтекающих все подполье.

Для искусственно вентилируемых подполий остаются справедливыми основные положения расчетов по аэрации зданий и сооружений.

Искусственное охлаждение оснований трубами и каналами экономически оправдано при значительных технологических нагрузках на полы, в больших промышленных зданиях, а также при невозможности устройства подполий.

Замораживание оттаявшего за лето грунта и дальнейшее его охлаждение достигается пропусканием в зимнее время по вентиляционным каналам холодного наружного воздуха. Система охлаждения должна обеспечивать принятое проектом положение верхней поверхности мерзлого состояния грунта под зданием.

Рис. III-41. Система охлаждения подземными вентиляционными каналами. 1 - граница наибольшего промерзания; 2 - верхняя поверхность мерзлоты; 3 - вентиляционные каналы

Необходимо предусмотреть надежную герметизацию каналов с целью предохранения их от попадания летом теплого воздуха, который вызывает образование на стенках каналов конденсата, уменьшающего при замерзании живое сечение канала и создающего ледяные пробки; каналы выполняются проходными или полупроходными, доступными для осмотра, очистки и ремонта. Наиболее целесообразно располагать вентиляционные каналы ниже глубины сезонного оттаивания, в мерзлом слое, но несколько выше подошвы фундамента (рис. III-41).

Съем тепла, как показывает опыт применения труб, составляет около 2-3 ^ккал/_м³ воздуха. Для небольших сооружений можно использовать естественную циркуляцию воздуха с помощью дефлекторов.

Искусственное охлаждение грунтов основания с помощью аммиачных или фреоновых холодильных машин применяют в тех случаях, когда зимнее вентилирование не обеспечивает сохранения основания в мерзлом состоянии, а решение с допущением оттаивания неэкономично.

Если после замораживания грунта может быть сохранено мерзлое состояние другими более простыми способами (например, вентилируемыми подпольями), то жидкий хладоноситель следует из труб удалить, а холодильную установку законсервировать или демонтировать.

При проектировании систем искусственного охлаждения с жидкостными хладоносителями необходимо предусмотреть меры предупреждения проникновения в грунты растворов солей, понижающих температуру их замерзания. Известны случаи, когда приходилось демонтировать охлаждающие системы и выбирать засоленный грунт, так как заморозить его практически оказалось невозможным.

Насыпи и термоизоляционные подушки находят ограниченное применение для сооружений небольшой ширины когда отток тепла в стороны достаточно велик для того, чтобы сбалансировать тепло, выделяемое сооружением При устройстве насыпей боковой отток тепла увеличивается благодаря отсутствие снегового покрова и развитой за счет откосов поверхности охлаждения.

Приближенно, с некоторым запасом, необходимая высота подсыпки может быть определена по номограмме М. Д. Головко. При этом подсыпка рассматривается как термоизоляция ее высота подбирается так, чтобы глубина протаивания под ней, определенная по номограмме, была бы не более естественной мощности деятельного слоя; при окончательном назначении высоты насыпи к величине ее по теплотехническому расчету следует прибавить вычисленное значение осадки деятельного слоя под нагрузкой.

Рис. III-42. Здание на подсыпке из горелой породы в г. Воркуте

Применение подсыпок получило распространение на площадках, где имеются в избытке дешевые шлаки и горелые породы. На рис. III-42 показано здание на подсыпке из горелой породы, построенное в Воркуте. С целью благоустройства подсыпку устраивают общую для нескольких зданий, а иногда и для целой улицы; здания возводятся на городках или железобетонных башмаках, заглубляемых в подсыпку на 25-40 см.

При проектировании термоизоляционных подушек следует учитывать, что в случае обводнения они не выполнят своей роли. В практике строительства и эксплуатации были получены удовлетворительные результаты при устройстве пакетов из нескольких рядов бревен; в качестве примера такого сооружения можно привести насосную станцию Якутской ЦЭС. За 10 лет эксплуатации нулевая изотерма не вышла за пределы подушки из брусьев толщиной ≈1 м.

Какой бы способ ни был применен для сохранения основания в мерзлом состоянии, во всех случаях необходимо обращать особое внимание на предохранение его от потока грунтовых вод, вызывающих быстрое оттаивание грунтов. У стен зданий необходимо устраивать отмостки шириной 1,5-2,0 м.

Сохранение мерзлого состояния оснований зданий требует особого устройства вводов и выпусков санитарно-технических сетей; применяется либо воздушная прокладка трубопроводов, либо вводы и выпуски устраиваются в подземных охлаждаемых наружным воздухом тоннелях или канавах, которые должны быть тщательно защищены от грунтовых вод.

В заключении главы приводится пример проектирования фундаментов по принципу сохранения вечномерзлых грунтов в основании.

Рис. III-43. План 1 этажа и рандбалок, разрез здания

Пример. Запроектировать фундаменты для жилого дома по типовому проекту серии 1-309-11 (рис. III-43); нагрузки приведены в табл. III-23 и III-24, а характеристики грунтов в табл. III-25.

Таблица III-23. Значения нагрузок на фундаменты

Нормативная глубина сезонного протаивания после застройки определяется по карте и графику (рис. III-19); при влажности W = W_p = 0,15

Таблица III-24. Ветровые нагрузки на фундамент в т

Расчетная мощность деятельного слоя при значениях коэффициента теплового влияния m_t (табл. III-15) под наружными стенами H = 1,8 м, под внутренними H¹ = 0,8×1,80 = 1,44 мм.

Таблица III-25. Средние характеристики грунтов

Примечание. Е₀ - для грунтов в талом состоянии.

Сечение свай по проекту l_сb_с = 0,4×0,2 м; высота надземной части h_н = 0,85 м. Сваи и фундаментные балки из бетона М-200, арматура сваи 4∅16 из Ст.-3. Сваи погружаются в грунт с предварительным протаиванием

Расчет на осевую нагрузку производится по СНиП II-В. 1-62 (7,10):

что несколько больше действующей нагрузки Q = 59,5 т; однако сохраним пока принятое сечение, учитывая необходимость последующей проверки сваи на прочность с учетом горизонтальной нагрузки.

Проверим прочность сопряжения сваи с рандбалкой по СНиП II-В. 1-82 (6.11-6.13).

По осям 3 и 4 N = μR_смF_см = 1,5×80×800 = 96 000 кг = 96 т>58,1 т,

Устанавливаем исходные величины, необходимые, для расчета по формуле (III-46):

При γ_м = 1,45 ^т/_м³; W = 0,30 и W_H = 0 по графику (рис. III-14) находим

Задаемся сваями длиной 5 и 6 м и рассчитываем их несущую способность (табл. III-26)

Таблица III-26. Определение расчетных нагрузок на сваи

Проверяем наименее, нагруженную сваю длиной 5 м. Определяем исходные величины. По графику (рис III-30) при H = 180 см находим τ^H = 92 ^кг/_см.

Пренебрегая весом сваи, определяем параметр

Силы, выпучивающие сваю, уравновешиваются постоянной нагрузкой и продолжения расчета не требуется.

Проверку производим для сваи длиной 6 м при максимальной нагрузке.

Расчет усилий по графикам (рис. III-34) требует предварительного определения следующих величин:

Приводим нагрузки к уровню поверхности земли

Максимальное значение момента в подземной части по формуле (III-47)

Так как это значение больше М_в = 1,56 тм, то окончательно принимаем его.

Максимальное значение перерезывающей силы в подземной части сваи определяется по (III-48)

Величина максимального прогиба по формуле (III-50)

Сечение железобетонной сваи проверяется на внецентренное сжатие без учета продольного изгиба по СНиП II-Б. 5-62 (4.2) при следующих нагрузках и вариантах:

Произведенный расчет прочности сваи (СНиП II-В. 1-62) при дополнительном сочетании нагрузок с учетом моментов в обеих плоскостях показал, что прочность ее обеспечена и сечение используется полностью; поэтому сохраняем предварительно принятые размеры сечения сваи 40×20 см.

В связи с тем, что

<G^н, растягивающие усилия при выпучивании в свае не возникают.

По расчетным нагрузкам и несущей способности подбираем типы свай (табл. III-27).

Таблица III-27. Подбор типов свай

Стойка фундамента принята сечением 30×30 см (бетон М-200). Проверка стойки и ее сопряжений с рандбалками различной ширины показала, что условия прочности соблюдаются.

1. Определение h_м. По нормам минимальное значение h_м = 1. Расчет на выпучивание не определяет глубины заложения фундамента, так как постоянная нагрузка больше значения

Следовательно, h_M определяется экономическими условиями и может быть установлена по графикам (рис. III-23). Задаемся h'_б = 30 см; по сметным данным k_э = 10,5. Параметры

При вычислении ξ₁ нагрузка принята для типа фундамента с наибольшей повторяемостью (табл. III-23).

Для грунтов с ледяными прослойками при t_сг = k_tt₀ = 1 (-5) = -5°С; по графику (рис. III-23) получаем h_м = 1,8 м.

2. Определение размеров подошв фундаментов. Глубину заложения принимаем одинаковой для всех фундаментов h_ф = H + h_м = 144 + 180 = 324 см (общая высота фундамента с надземной частью 410 см).

Для фундаментов под наружными стенами h_м = 145 см, под внутренними h_м' = 180 см.

Вычисляем значения параметров, необходимых для определения t_макс,

По графику определяем α_t (рис. III-24) и вычисляем:

Размеры подошв фундаментов и их унификация приведены в таблице III-28.

Таблица III-28. Подбор размеров подошв фундаментов

3. Определение высот фундаментов. Высота фундаментов определяется из условия продавливания по СНиП II-В. 1-62 (7.62-7.63) и по схеме, представленной на рис. III-44. Расчет выполнен в табл. III-29.

Таблица III-29. Определение высоты фундаментов

Рис. III-44. Схема фундамента к расчету на продавливание

Высота нижней ступени определяется из условия восприятия поперечной силы одним бетоном по СНиП II-В. 1-62 (7.30); расчет приведен в табл. III-30.

Таблица III-30. Определение высоты нижних ступеней

В табл. III-29 и III-30 величины, относящиеся к расчету прочности, обозначены по СНиП II-В. 1-62. Принятые размеры фундаментов показаны на рис. III-45, б.

Рис. III-45. Проекты фундаментов. а - свайный фундамент

Рис. III-45. Проекты фундаментов

Рис. III-45. Проекты фундаментов. б - вариант ступенчатого типа

Рис. III-45. Проекты фундаментов

Проверяем приведенную высоту башмака для Ф-2:

Она оказалась достаточно близкой к той, которой мы задавались, и расчет можно не повторять.

4. Проверка давлений на грунт при дополнительном сочетании нагрузок. Момент от ветровой нагрузки

Принимаем обратную засыпку в пределах нижней ступени башмака уплотненной и промороженной; момент, воспринимаемый касательными реакциями, обусловленными смерзанием грунта с фундаментом, определяется по (III-38).

Устанавливая по графику (рис. III-24) значение α_t определяем

Аналогично для Ф-2 получаем р_макс = 30,8 ^т/_м² для наружных стен и р_макс = 35,9 ^т/_м² для внутренних, что также меньше 1,2R^н.

Расчет фундаментов заканчивается подбором арматуры; при определении изгибающего момента реакции основания, обусловленные смерзанием рассматриваются приложенными на конце консоли (рис. III-28).

Фундаменты в двух вариантах показаны на рис. III-45. В связи с тем, что в первом варианте оказалось возможным применение только 6 свай длиной 5 м, все сваи унифицированы.