Винтовые фундаменты для вечной мерзлоты

Фундамент на вечномерзлых грунтах

Строительство дома является весьма сложным и ответственным процессом. Некоторые постройки можно легко возводить своими руками, без привлечения специалистов. Но, бывают случаи, когда без помощи просто не обойтись. Прежде всего, это касается анализа почвы и выбор основания под здания. Дело в том, что строительство тех или иных сооружений на некоторых грунтах может составить некоторые сложности. В особенности это касается участков с вечномерзлыми грунтами.

Особенности вечномерзлой почвы

В вечномерзлых грунтах присутствуют льдо-цементные связи. Благодаря этому в период морозов такая почва обладает высокой прочностью. Но, когда температура начинает подниматься, эти связи постепенно разрушаются. В результате этого прочность грунта значительно падает. Количество воды в грунте резко увеличивается, что приводит к его разжижению. В таком состоянии почва становится неподходящей для строительства, не говоря уже о выдерживании веса от построенного здания.

Вечномерзлые грунты занимают довольно большую площадь. В результате этого ученые стали разрабатывать новые технологии, которые позволили бы возводить на них различные строения. Благодаря таким технологиям, уже несколько десятилетий участки с вечномерзлыми грунтами используются для строительства.

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.

Разновидности фундаментов для вечной мерзлоты

Свайные фундаменты

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

Если речь идет о свайном основании, то он обустраивается на глубине, которая на 2,5 м больше толщины промерзающего и оттаивающего грунта. Для всех остальных типов фундаментов разница будет составлять 1,3 м.

Для строительства зданий на вечномерзлых грунтах могут использоваться столбчатые фундаменты. Конечно, перед тем как приступать к работам, нужно провести некоторые расчеты. Согласно строительным нормам, вес здания должен быть достаточным, чтобы противостоять пучению грунта (читайте также подробную статью про пучинистые грунты). Как показывает практика, одноэтажные сооружения не удовлетворяют этому условию. Поэтому столбчатый фундамент рекомендовано использовать исключительно для строительства зданий в два и более этажа.

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

На вечномерзлом типе грунта можно использовать свайно-винтовой фундамент. Его можно возводить в любое время года. Основным достоинством является прочность монтажа. Что касается недостатков, так это высокая стоимость фундамента.

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.

Если неправильно подобрать сваю по толщине, то при монтаже она может деформироваться, что негативно скажется на ее несущей способности.

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.

Источник

Фундаменты из винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах

Статья расскажет о возможности и особенностях устройства фундаментов из винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах.

Содержание статьи:

Мерзлый грунт – грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и/или лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями.

В зависимости от продолжительности периода, когда грунты находятся в мерзлом состоянии (имеют отрицательную температуру и лед в своем составе), выделяют несколько групп:

• многолетнемерзлый грунт (ММГ) – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет;
• сезонномерзлый грунт – грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона.

На территории РФ многолетнемерзлые грунты распространены достаточно широко. Как правило, они залегают на глубине от 0,5 до 4,5 м, а мощность слоя изменяется от нескольких метров до 1,5 км и более.

При проектировании и строительстве фундамента на подобном основании необходимо учитывать целый ряд особенностей, присущих как самим ММГ, так и расположенному над ними деятельному слою.

В подстилающем слое ММГ могут протекать следующие процессы, способные оказывать необратимое воздействие на фундаменты возводимых зданий:

• колебания температуры в верхнем слое многолетнемерзлых грунтов при сливающемся деятельном слое;
• образование морозобойных трещин и клиньев льда. Данный процесс начинает развиваться в деятельном слое грунта из-за колебаний температуры, но продолжается и в многолетнемерзлом: весной вода, по морозобойным трещинам попадает в ММГ и замерзает, образуя клинья льда;
• увеличение глубины оттаивания из-за увеличения площади застройки на определенной территории, а, следовательно, увеличения количества тепла, возникающего в результате бытовой и производственной деятельности человека.
• возникновение термокарстовых просадок в результате интенсивного таяния ММГ. Спровоцировать этот процесс может попадание в грунт даже незначительного количества тепла, при этом величина просадки может достигать нескольких метров. К примеру, если многолетнемерзлый грунт расположен в основании массивного фундамента, он может неравномерно оттаивать. Это связанно с повышенным поступлением тепла в грунт через фундамент (так как теплопроводность фундамента превышает теплопроводность грунта) и может привести к неравномерной осадке фундамента. При этом характер оттаивания может меняться в зависимости от географического распространения многолетнемерзлых грунтов. Не менее важно, что при повторном замерзании грунта может наблюдаться его пучение. Из-за отсутствия стока воды на участке, на котором произошло оттаивание, может образоваться термокарстовое озеро, которое может спровоцировать еще большее протаивание грунта.

В деятельном слое также протекают процессы, которые могут влиять на возведенные объекты:

• колебания температур в толщине деятельного слоя;
• промерзание и оттаивание грунтов, которые залегают выше границы оттаивания;
• морозное пучение грунтов;
• образование грунтовых наледей, которое происходит при перепаде высот;
• образование морозобойных трещин;
• медленно сползание грунта по склону (солифлюкция);
• поверхностные оползни, которые происходят из-за увлажнения грунта при оттаивании.

С учетом всех перечисленных процессов и явлений сегодня при проектировании и строительстве применяются два принципа использования ММГ в качестве основания зданий или сооружений:

1. многолетнемерзлое состояние основания сохраняют как во время строительства, так и на протяжении эксплуатации здания/сооружения;
2. ММГ используют в оттаявшем состоянии (оттаивание на расчетную глубину) как до начала строительства, так и в процессе эксплуатации.

Первый принцип используют, когда сохранение многолетнемерзлого состояния грунтов возможно, а также является целесообразным с точки зрения экономических затрат.

Второй принцип применяют, когда деформации ММГ при оттаивании не превышают допустимых значений, а также при несплошном залегании многолетнемерзлых грунтов или при их залегании на неодинаковой глубине от поверхности.

1. Расчет фундаментов из винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах

Возможность устройства в многолетнемерзлых грунтах фундаментов из винтовых свай предусмотрена СП 25.13330.2012. В соответствии с п. 6.3.9. данного нормативного документа «при устройстве свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах допускается применять виды и конструкции свай, предусмотренные СП 24.13330, в том числе буронабивные, сваи-оболочки, а также составные (комбинированные) сваи из разных материалов».

При выполнении расчета винтовых свай в ММГ, отнесенность их к группе вертикально нагруженных висячих свай позволяет использовать единые принципы расчета.

В то же время в соответствии с п. 7.3.5. СП 25.13330.2012 «расчет усилий в элементах фундаментных конструкций и реактивных давлений грунтов следует выполнять, как правило, численными методами на основании уравнений строительной механики с учетом зависимостей реактивных давлений от неравномерных осадок основания. При этом оттаивающее основание допускается рассматривать как линейно-деформируемый слой конечной толщины. Допускается применять другие расчетные схемы, в том числе с использованием вероятностных методов расчета, учитывающих статистическую неоднородность основания. При расчете оснований и фундаментов по деформациям среднее давление на основание под подошвой фундамента от основного сочетания нагрузок не должно превышать расчетного давления на основание R, определяемого в соответствии с СП 22.13330 по расчетным характеристикам оттаивающих грунтов».

Это подтверждает и опыт компании «ГлавФундамент». Было установлено, что расчеты численными методами демонстрируют лучшую сходимость с результатами полевых испытаний грунтов винтовыми сваями при действии статической вдавливающей нагрузки.

Для осуществления предварительных расчетов фундаментов из винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах необходимы:

• инженерно-геологический разрез;
• сводная таблица физико-механических и геокриологических характеристик грунта;
• карта фактических материалов;
• результаты измерений коррозионной агрессивности грунтов.

2. Особенности погружения и эксплуатации винтовых свай в ММГ

Для погружения винтовых свай в условиях многолетней мерзлоты используется лидерное бурение на глубину погружения шнеком, диаметр которого равен диаметру сваи.

Нагрузка на лопасть во время установки в этом случае минимальна. Более того, по характеру взаимодействия с грунтом сваи, эксплуатируемые в ММГ, относятся к сваям-стойкам. Таким образом, применение винтовых свай с литым наконечником в ММГ, как правило, не является целесообразным (подробнее «К вопросу об использовании литого наконечника винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах»).

Источник

Использование литого наконечника винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах

В статье рассматриваются вопросы целесообразности применения винтовых свай с литым наконечником в многолетнемерзлых грунтах.

Содержание статьи:

О преимуществах и недостатках использования литых/сварных наконечников винтовых свай в сезоннопромерзающих грунтах мы подробно рассказываем в статье «В каких случаях следует использовать литой наконечник». Здесь же мы хотим рассмотреть вопросы применения винтовых свай с литым наконечником в многолетнемерзлых грунтах.

1. Физические и механические свойства многолетнемерзлых грунтов

Многолетнемерзлые грунты находятся в мерзлом состоянии в течение трех и более лет. В ненарушенном состоянии имеют высокую несущую способность.

В природных условиях могут находиться в твердомерзлом, пластично-мерзлом или сыпучемерзлом состояниях:

• Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом. При относительно быстром приложении усилий происходит их хрупкое разрушение. Под действием нагрузок от сооружений эти грунты практически не сжимаются.
• Пластичномерзлые грунты сцементированы льдом, но обладают вязкими свойствами. Они характеризуются достаточно большой сжимаемостью.
• Сыпучемерзлые грунты – это грунты, имеющие отрицательную температуру, но не сцементированные льдом. К ним относятся крупнообломочные, гравелистые и песчаные грунты с суммарной влажностью менее 0,03.

2. Особенности установки винтовых свай в многолетнемерзлые грунты

Существует мнение, что сваи с литым наконечником гораздо больше подходят для использования в грунтах:

• прочных скальных;
• крупнообломочных;
• с включениями (природный и/или техногенный мусор).

К этой же группе, как правило, относят и многолетнемерзлые грунты.

Такой подход связан с широкой распространенностью тезиса, согласно которому литая конструкция превосходит сварную по прочности именно потому, что не имеет сварных соединений. Однако это утверждение ошибочно.

В действительности место, где находится сварной шов, всегда прочнее за счет большего сечения. В остальном же характеристики свариваемого материала ничем не отличаются от отлитого в форме.

Кроме того, необходимо учитывать, что для погружения винтовых свай в грунт в условиях многолетней мерзлоты используется лидерное бурение на глубину погружения шнеком, диаметр которого равен диаметру ствола сваи. Это означает, что нагрузка на наконечник и лопасть процессе погружения всегда будет минимальна.

3. Коррозионная агрессивность многолетнемерзлых грунтов по отношению к стали

Многолетнемерзлые грунты это, как правило, высокоомные грунты (удельное электрическое сопротивление 100 Ом . м и более). В связи с этим они в большинстве случаев имеют низкую степень коррозионной агрессивности и характеризуются низкими содержанием растворенных солей и значением водородного показателя рН.

Исследования развития коррозии трубной стали в многолетнемерзлых грунтах показывают, что максимум скорости местной коррозии приходится на летне-осенний период первого года после погружения. Это связано с тем, что во время установки нарушается структура грунтов, а следовательно, возрастает их температура и воздухопроницаемость.

В последующие годы скорость коррозии значительно снижается и стабилизируется. Этому способствует образование мерзлого слоя грунта вокруг коррозирующей поверхности в зимний период, в результате которого с октября по май прекращаются все фазовые переходы, перекрывается доступ атмосферному кислороду к стальной поверхности, что тормозит ее деполяризацию. Скорость общей коррозии в этот период составляет 0,05-0,02 мм/год (с учетом сезонных колебаний температуры и влажности).

В то же время, поверхностный слой грунта, в котором также располагается винтовая свая, подвергается сезонному оттаиванию (промерзанию). Из-за наличия в нем влаги и доступа кислорода именно он оказывает наибольшее негативное влияние на металлоконструкции. Однако использование литого наконечника в этом случае ни коим образом не позволяет минимизировать данное негативное воздействие.

4. Выводы

Из сказанного следует, что, во-первых, во время погружения наконечник подвергается минимальному воздействию. Следовательно, использование сварных свай позволит обеспечить запас прочности, достаточный для установки в многолетнемерзлые грунты.

Во-вторых, коррозионные процессы развиваются и протекают на участке «атмосфера – грунт», поэтому расчет срока службы необходимо осуществлять именно для наиболее опасного участка. Измерения коррозионной агрессивности грунтов, на основании данных которых выполняются расчеты, необходимо осуществлять в период наибольшего оттаивания.

Таким образом, использование литых наконечников винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах является нецелесообразным.

Источник