книги / Механика мёрзлых грунтов (общая и прикладная)

ных методов устойчивого строительства сооружений, возводимых в районах распространения вечномерзлых грунтов.

§ 3. Меры по усилению мерзлого состояния грунтов основания

Под усилением мерзлого состояния грунтов оснований следует понимать придание вечномерзлым грунтам на всю толщу возмож­ ной чаши прогрева, влияющей на фундаменты, такой отрицательной температуры, при которой грунты были бы не пластичномерзлыми, а твердомерзлыми, т. е. сохраняли бы температуру ниже границы интенсивных (значительных) фазовых переходов воды в лед или же более низкую во все время эксплуатации здания или соору­ жения.

При сохранении мерзлого состояния грунтов оснований в случае пластичномерзлых, высокотемпературных вечномерзлых (при тем­ пературе их от 0 до — 1°С) грунтов даже незначительное повыше­ ние температуры грунтов территории застройки может резко ухуд­ шить механические свойства мерзлых грунтов, а в отдельных случа­ ях и вызвать их протанвание. Для избежания такого положения Г. А. Борисовым, М. В. Кимом и Г. А. Пчелкиным был предложен и апробирован в г. Норильске, а в дальнейшем разработан Г. Н. Максимовым, а также и А. А. Коноваловым метод усиления мерзлого состояния грунтов основания — предварительное (до воз­ ведения сооружения) естественное или искусственное охлаждение их на некоторую глубину.

Основой метода, по Г. Н. Максимову *, является создание под сооружением первичной охлажденной зоны оптимальных размеров, которая в дальнейшем сохраняется и даже увеличивается при со­ ответствующем применении хорошо вентилируемых зимой подпо­ лий, а также других охлаждающих устройств, стабилизирующих мерзлое состояние грунтов и не допускающих повышения их тем­ пературы в расчетной зоне до определенного предела.

Простейшим приемом для создания охлажденной зоны грунтов (с температурой более низкой, чем природная в данном месте) яв­ ляется поверхностное охлаждение их в течение одного, а иногда нескольких зимних сезонов путем систематической уборки со строи­ тельной площадки до начала возведения сооружений накапливае­ мого зимой снега.

Индустриальный метод охлаждения оснований (усиления их мерзлого состояния, т. е. понижения температуры и перехода части незамерзшей воды в лед) с помощью буровых скважин, в которые погружаются специально оборудованные сваи, разработан Г. Н. Максимовым, а основы теплотехнического расчета воздушно-

* Г. Н. М а к с и м о в . Охлаждение высокотемпературных вечномерзлых грунтов при устройстве свайных фундаментов. «Основания, фундаменты и меха­ ника мерзлых грунтов», 1968, № 1.

Его же. Метод стабильного воздушного охлаждения пластично-мерзлых грун­ тов оснований крупнопанельных зданий. «Доклады и сообщения Всесоюзного научно-технического совещания». Красноярск, 1969.

мо использовать все меры (и в первую очередь простейшие) для усиления мерзлого состояния грунтов основания.

Следует, однако, иметь в виду, что при проектировании охлаж­ дения массива грунтов на заданную глубину под проветриваемым зимой подпольем необходимо не только рассчитать время охлажде­ ния (циркуляцией холодного воздуха или других хладоносителей)

а

Рис. 144. Схема к расчету продолжительности ох­ лаждения грунтов в основании здания с помощью холодного воздуха, циркулирующего в буровых скважинах:

до заданной температуры и заданного объема мерзлого грунта, но и перераспределение температуры (по соответствующим зависимо­ стям, вытекающим из рассмотрения теплового баланса) в охлаж­ даемом массиве грунта в течение летнего периода, а также темпе­ ратурную устойчивость охлажденных грунтов на все. время сущест­ вования сооружений.

Усиление мерзлого состояния вечномерзлых грунтов основания методом охлаждения их (воздухом, жидкими хладоносителями — рассолами и пр.) требует значительно меньшей затраты энергии (вследствие необходимости замораживания лишь небольшой части

содержащейся в мерзлом грунте воды — незамерзшей) по сравне­ нию с оттаиванием мерзлых грунтов (особенно сильнольдистых) и является экономически -весьма выгодным. Однако, как показано Г. Н. Максимовым *, охлаждение воздухом наиболее эффективно в зоне севернее примерно границы геоизотермы —3°С на глубине нулевых теплооборотов в грунте; для геокриологических же зон, расположенных южнее геоизотермы —3°С, на глубине 10 м требу­ ются добавочные устройства.

Отметим, что в настоящее время Красноярским Промстрой-

костью 4.

В качестве рабочей жидкости используется пропан, эффективно работающий в интервале температур от 0 до —16° С. Максималь­ ное давление газа внутри сваи равно 4 кГ/см2. Лонгом произведе­

** Труды Международной конференции по мерзлотоведению. Лафайет, ноябрь,

1963. (Praceedings Permafrost Intern. Conf.). Изд-во Нац. Ак. наук США, 1965.

/

ны более чем годичные наблюдения температуры мерзлых грунтов вокруг термосвай, которые показали, что предложенная конструк­

хорошо.

Удачной установкой для охлаждения высокотемпературных веч­ номерзлых грунтов является автоматическая система С. И. Гапеева,

Данные, необходимые для расчета. Приступая к расчету и кон­ струированию фундаментов сооружений, возводимых на вечномерз­ лых грунтах по методу сохранения мерзлого состояния оснований, необходимо прежде всего ясно себе представить особенности расче­ та и проектирования фундаментов в рассматриваемых условиях, обусловленные, главным образом, обязательной необходимостью учитывать добавочные характеристики мерзлых грунтов оснований, обычно не требующиеся при проектировании фундаментов, возводи­ мых на немерзлых грунтах, такие как: глубину максимального лет­ него оттаивания грунтов Лт в проветриваемых зимой подпольях зда­ ний и сооружений; глубину заложения фундаментов, отсчитывае­ мую от глубины максимального летнего оттаивания грунтов; мак­ симальную температуру на уровне глубины заложения фундаментов (для определения расчетных сопротивлений) и температуру вечно­ мерзлой толщи грунтов на уровне нулевых годовых теплооборотов (необходимую по СНиПу для теплотехнических расчетов), а также

тепловые, механические и реологические свойства вечномерзлых грунтов данного гранулометрического состава, льдонасыщенности (льдистости) и величины отрицательной температуры.

Напомним, что при расчете и проектировании фундаментов на базе использования научных данных механики мерзлых грунтов не­

(СНиП Н-Б.6 —6 6 ) и тепловые свойства (V, Хм; Ст; См; См'), позво­ ляющие производить теплофизические расчеты температуры, глуби­ ны протаивания, промерзания и пр. (например, максимальной глу­ бины летнего оттаивания грунтов, максимальной температуры грун­ тов на уровне подошвы фундаментов, необходимой для выбора рас­ четных сопротивлений и т. п.), а также показатели длительной проч­

номерзлых грунтах по методу сохранения мерзлого состояния грун­ тов оснований включает в себя следующие расчеты:

1 ) расчет устойчивости температурного режима вечномерзлых грунтов в основаниях возводимых на них сооружений;

2 ) аналитическое определение глубины заложения фундаментов (при наличии проветриваемого подполья) и расчет максимальной температуры вечномерзлых грунтов на уровне заложения фунда­ ментов;

3 ) расчет фундаментов по несущей способности вечномерзлых грунтов и по предельным осадкам вечномерзлых грунтов в пластич­ номерзлом (высокотемпературном) состоянии.

У с т о й ч и в о с т ь т е м п е р а т у р н о г о р е ж и м а м е р з л о ­ го с о с т о я н и я грунтов под возводимыми на них сооружениями на все время существования сооружений обеспечивается применени­ ем проветриваемого зимой подполья с размерами вентиляционных отверстий, определяемыми по теплотехническому расчету (см. § 2 и 3 настоящей главы), или путем применения в подсыпках специаль­ ных вентиляционных труб, снимающих тепло, выделяемое зданиями, и т. п. устройств. При этом возникает вопрос о необходимой глубине заложения фундаментов в зависимости от глубины протаивания

грунтов в подполье.

Г л у б и н а з а л о ж е н и я ф у н д а м е н т о в , возводимых по методу сохранения мерзлого состояния грунтов основания, опреде­ ляется по формуле

где Ат— глубина летнего оттаивания грунтов в подполье, провет­ риваемом зимой или круглогодично и обеспечивающем мерзлое состояние грунтов основания; Ам — глубина заложения фундаментов в вечномерзлом грунте (ниже подошвы сезоннооттаивающего'слоя).

Глубина летнего оттаивания грунтов в проветриваемом подполье может быть определена аналитически на основе учета баланса тепла для грунтов подполья в летнее время по данным среднелетней тем­ пературы воздуха, продолжительности периода с положительными температурами, тепловых свойств грунтов в мерзлом и талом состоя­ ниях с учетом фазовых переходов воды в лед и пр., что требует зна­ ния большого числа характеристик и специального теплотехническо­ го расчета.

Однако по СНиП П-Б.6—66, п. 4.2 допускается определять рас­ четную глубину оттаивания грунтов для зданий с холодным под­ польем путем введения коэффициента поправки к нормативной глу­ бине сезонного оттаивания Атн (обозначение наше. — Н.Ц.) по фор­ муле

ружных стен с асфальтовыми или булыжными отмостками т , = 1,2; то же, но без асфальтовых отмосток mt = 1,0; у внутренних стен т< =

= 0,8.

Что касается нормативной глубины сезонного оттаивания Атн, то аналитически она определяется по усовершенствованному решению одномерной задачи [формула (42), «Приложение к СНиП П-Б.6—66»], также требующему знания многих характеристик, но допускается определять нормативную глубину сезонного протаивания грунтов по средним результатам многолетних измерений и по картам изолиний глубин оттаивания (см. рис. 17 и 18, гл. I) с вве­ дением коэффициента поправки на влажность грунтов:

летнего оттаивания грунтов; kw — коэффициент поправки, значения которого (для песчаных и глинистых грунтов по СНиПу) приведены на графиках, помещенных в левом нижнем углу карт глубин сезон­ ного оттаивания грунтов (см. рис. 17 и 18).

Величину заглубления фундаментов в толщу вечномерзлых грун­ тов [Ам в формуле (IX.9)] для фундаментов столбчатых с небольшой площадью подошвы (при ширине площади b< hT) и свайных фунда­ ментов, мало нарушающих температурный режим толщи вечномерз­ лых грунтов после их установки (с последующим промораживанием частично нарушенных и оттаявших масс грунта), допускается опре­ делять по практическим данным.

Так, согласно табл. 2СНиП П-Б.6—66, минимальная глубина за­ ложения фундаментов при возведении сооружений по методу сохра­ нения мерзлого состояния грунтов оснований может приниматься равной: для столбчатых фундаментов — на 1 м глубже максималь­ ного летнего оттаивания, т. е. /t$=)/iT + l м и для свайных фундамен­ тов на 2 м, т. е. /гсв^Л т + 2 м.

Следует, однако, отметить, что для фундаментов со значительной площадью подошвы (при ширине ее b ^ h T) и особенно при темпе­ ратуре на верхней поверхности фундаментов более высокой, чем в окружающем их помещении, требуется специальный теплотехниче­ ский расчет глубины проникания положительной температуры че­ рез тело фундамента в грунт (подобный расчету сооружений, возво­ димых на оттаивающих основаниях, см. ниже гл. X) и заложение фундаментов на глубину, большую этой величины, т. е. должно быть: /гм>/г( (где ht — глубина возможного максимального протаивания грунтов под подошвой рассматриваемых фундаментов с боль­ шей площадью подошвы и большей температурой поверхности).

Кроме теплофизических условий, при определении глубины за­ ложения фундаментов необходимо учитывать и конструктивные осо­ бенности возводимых сооружений и, в первую очередь, наличие под­ земных коммуникаций.

На уровне глубины заложения фундаментов необходимо знать максимальную температуру вечномерзлых грунтов для определения расчетных сопротивлений мерзлых грунтов (длительной прочности на сжатие, сдвиг и пр.).

Используя соотношение, данное В. В. Докучаевым *, между мак­ симальной температурой 0т ах и среднегодовой температурой вечно­

и принимая, далее затухание амплитуд температуры грунта по тому же закону, что и в одномерной задаче, Г. В. Порхаев ** получил следующее выражение для максимальной температуры мерзлого грунта:

6шах = ао0о- ( 0 о- 0 о) [/(х , у, z ) - f { x , у, й ,)е х р (“ | ^ ] / Г

(IXЛ4)

где 0о'— средняя годовая температура грунта на подошве сезоннооттаивающего слоя грунта под сооружением; f(xy у, z) — функция конфигурации системы (определяемая интегралом Пуассона).

* Ю. Я- Ве л л и , В. В. Д о к у ч а е в , Н. Ф. Ф е д о р о в , здания и со­ оружения на Крайнем Севере (справочное пособие). Госстройиздат, 1963.

** См. сноску * на стр. 293.