История изучения и развития второго II принципа использования ММП

Оглавление

Введение 3
Глава I. История изучения и развития второго II принципа использования
ММП. 4
Глава II. Область применения второго приципа 5
Глава III. Методы применения II принципа строительства 6
Глава IV. Методы оттаивания многолетнемерзлых грунтов. 11
Заключение 14

Введение

Многолетнемерзлые породы занимают до 60% территории Российской Федерации. В криолитозоне расположено большое количество месторождений полезных ископаемых, по ней проходят протяженные транспортные сооружения: автомобильные и железные дороги, трубопроводы. Активное строительство различных объектов в условиях распространения многолетнемерзлых пород способствует изменению геокриологических условий, которые могут привести к тяжелым последствиям. Причем из-за инертности мерзлых пород последствия могут проявиться не сразу, а со временем.
Поэтому при проектировании и строительстве на многолетнемерзлых грунтах следует предусматривать меры, обеспечивающие сохранность и долговечность сооружений и требуемые эксплуатационные качества [3]. Это достигается путем выбора типа фундамента, конструкции сооружения, методов регулирования теплового потока и изменения свойств грунтов.
Согласно СП 25.13330.2012 все способы условно объединены в две группы, называемые принципами использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований: принцип I – многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии; принцип II – многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания в процессе эксплуатации сооружения или с оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения).Выбор принципа строительства является одним из важных этапов проектирования сооружений в криолитозоне.
Глава I. История изучения и развития второго II принципа использования ММП.Активное освоение криолитозоны потребовало изучения процессов происходящих в ней. Актуальность количественной оценки этих процессов, вопросами осадок и прочности оттаивающих грунтов начиная с 30-х годов занимались многие исследователи: Н.А. Цытович, Г.И. Лапкин, А.Е. Федосов, М.Н. Гольдштейн, Ю.К. Зарецкий, М.Ф. Киселев, В.Ф. Жуков, В.П. Ушкалов, Н.И. Вотяков, В.Д. Пономарев, Е.П. Шушерина и другие.
Все это позволило к настоящему времени составить необходимую теоретическую и нормативную базу для рационального использования криолитозоны.
Первым способом использования грунтов по II принципу являлся способ предварительного оттаивания под всем зданием. Он известен с 30-х годов 20 века. Способ локального предварительного оттаивания стал применятся с конца 70-х годов 20 века [3].
На данный момент основным документом, регламентирующим проектирование фундаментов на многолетнемерзлых грунтах является СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунта. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88». Само название нормативного документа показывает преемственность и работу по накоплению знаний о мерзлоте.
Глава II. Область применения второго приципаПункт 6.1.3 СП 25.13330.2013 ограничивает область безусловного применения II принципа; к ней относятся районы со скальными и малопросадочными грунтами, а также районы несплошного распространения многолетнемерзлых пород, в, а также в тех случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооружения и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уровень надежности строительства [4].Согласно карте мощности криолитозоны СССР, зона редкоостровного и островного расположения многолетнемерзлых пород занимает около 4,3 млн. км2, что составляет около 40% от всей площади мерзлоты. Это определяет область применения II принципа строительства.
Также в приложении П СП 25.13330.2012 вводится понятия температурного коэффициента, который учитывает случайные изменения климата и длительность эксплуатации сооружения. При его отрицательном значении следует либо предусматривать дополнительное охлаждение грунтов, либо применять II принцип строительства.
Рис. 1 Карта распространении ММП [2].
1-4 - несплошного распространения 3- массивно-островного, 4-прерывистого, , 5-15- сплошного
Глава III. Методы применения II принципа строительстваК принципу II относятся способы обеспечения устойчивости, при котором подошва фундаментов расположена выше кровли многолетнемерзлых пород, а именно:
Способ с приспособлением надфундаментной конструкции к неравномерным осадкам основания при оттаивании многолетнемерзлых пород;
Способ с предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород под всем зданием;
Способ с локальным предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород (оттаивание производится только в местах передачи на основание нагрузки от здания);
Способ со стабилизацией начального положения верхней границы многолетнемерзлых пород с помощью охлаждающего контура.
Рис. 2. Конструкции фундаментов при II принципе использования грунтов в качестве основания [1]:
а—с допущением оттаивания многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации, б—с предварительным оттаиванием многолетнемерзлых грунтов, в—по метолу стабилизации положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов, 1—4— границы (1 — многолетнемерзлых грунтов в естественных условиях, 2 — после предварительного оттаивания, 3 — сформировавшихся в процессе эксплуатации, 4 — сезоннопромерзающегоСпособ обеспечения устойчивости путем приспособления надфундаментной конструкции к неравномерным осадкам основания при оттаивании многолетнемерзлых грунтов наиболее старый способ строительства на многолетнемерзлых грунтах. Оттаивание мерзлых грунтов и тепловая осадка породы тепловая осадка начинается сразу с момента сдачи здания в эксплуатацию и протекает в первые годы с большой скоростью. Данный способ является не очень эффективным, т.к. как показал опыт, практически невозможно добиться обеспечения устойчивости здания на многолетнемерзлых грунтах только за счет повышения прочности его конструкции. Его применение возможно лишь для застройки участков с непросадочными или малопросадочными (просадочность менее 0,03) при оттаивании многолетнемерзлыми грунтами [3,5].
Способ обеспечения устойчивости путем предварительного оттаивания многолетнемерзлых пород под всем зданием (площадного предварительного оттаивания) заключается в том, что перед устройством фундамента проводят оттаивание многолетнемерзлых пород на такую глубину, при которой дальнейшее оттаивание грунта под действием тепла от здания за весь период его эксплуатации не вызовет осадки конструкции выше нормативной [3]. При этом после оттаивания ждут уплотнение грунтов под собственным весом в течении 2-6 месяцев, и только после этого возводят фундамент. Для ускорения процесса уплотнения применяют дренаж и электроосмосПосле оттаивания в течение двух-шести месяцев грунту дают возможность уплотниться под собственным весом, а затем на нем возводят фундамент, в качестве последнего обычно применяют перекрестные ленты или плиты (рис. 3). При площадном оттаивании размер подготавливаемого массива в плане (длина и ширина) принимаются больше размеров здания на величину глубины оттаивания [3,5].
Рис. 3 Схема возведения здания с площадным предварительным оттаиванием. [3].
1 – предварительно оттаявший грунт; 2 – ММП; 3 – перекрестная лента; 4 – здание
На оттаивающих грунтах применяют в основном две конструкции фундаментов — жесткую и гибкую. Жесткая схема подразумевает под собой малую чуствивтельность к неравномерным осадкам. Для этого используют используются сплошные плитные фундаменты, система жестких железобетонных ленточных фундаментов, коробчатые фундаменты, способные воспринимать значительные неравномерные осадки оттаивания основания, устройством поясов жесткости, а также большие здания разбивают на жесткие отсеки с устройством осадочных швов [1]. Усиления жесткости схемы конструкций добиваются также устройством так Гибкая схема основана на принципе возможности выравнивания деформирующихся элементов сооружения. В ней используют шарнирные соединения элементов и частей зданий. Применение гибкой схемы сооружений дает возможность «лечения» зданий: в таком случае заранее предусматривается установка в подполье домкратов, с помощью которых поднимают покосившиеся конструкции [1].
При строительстве на оттаивающих грунтах необходимо обеспечить как можно более медленное и равномерное по площади оттаивание грунта, способствующее равномерности осадок. Если же будет допущено быстрое развитие осадок, то конструкция здания может не успеть приспособиться к ним, в результате чего возникают недопустимые деформации сооружений, приводящие к аварийным ситуациям [1].
Глубина предварительного оттаивания зависит от просадочности многолетнемерзлых пород при оттаивании и их температуры. В южной зоне распространения многолетнемерзлых пород, где температура мерзлого грунта близка к нулю, глубина предварительного оттаивания максимальна. Для этой зоны в таблице №1 приведены ориентировочные данные по необходимой глубине предварительного оттаивания в основании жилых зданий в зависимости от просадочных свойств многолетнемерзлых пород [3,5].
Таблица №1. Глубина (м) и стоимость (в % от стоимости надфундаментной конструкции) предварительного оттаивания многолетнемерзлых пород в зависимости от их просадочности (см/м) [3]
Просадочность, см/м 2 3 5
Глубина, м18 24 31
Стоимость, % 42 70 115
Анализ таблицы показывает, что чем выше просадочность пород, тем выше затраты, что исключает использование предварительного оттаивания для пород с просадочность более 5 мм/м
Опыт применения предварительного площадного оттаивания показал, что он требователен к теплотехническому прогнозу. Т.к. неучтенные теплоисточники, а также протечки приводят к деформаций зданий, построенных с предварительным оттаиванием, т.к. тепловые источники замечаются не сразу, а ликвидация источника не восстановит первоначальное состояние системы.
Способ обеспечения устойчивости путем локального предварительного оттаивания многолетнемерзлых пород заключается в предварительном оттаивании пород только в местах расположения фундаментов. Затем, после уплотнения оттаянного грунта под собственным весом, на нем возводят фундамент (рис. №4). В качестве фундамента используют столбы и сваи.
Рис. 4 Схема возведения здания с локальным предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород [1]:
1 — предварительно оттаянный грунт; 2 — многолетнемерзлые породы; 3 — свайный фундамент; 4 — здание
Преимуществом способа по сравнению с площадным то, что оттаивание многолетнемерзлых пород непосредственно под подошвой фундамента начинается не сразу, а по прошествии определенного времени, в течение которого глубина общего оттаивания многолетнемерзлых пород под зданием достигает подошвы слоя локального оттаивания. При большой мощности слоя это время может быть равно периоду эксплуатацию [1,3]
Локальное оттаивание может быть рекомендовано только на прочных малольдистых грунтах, т.к. сильнольдистые просадочные грунты при оттаивании резко теряют прочность и не могут воспринять боковое давление находящейся под фундаментом породы. В результате происходят просадки фундаментов за счет выдавливания предварительно оттаянного грунта в сторону [1].
Глава IV. Методы оттаивания многолетнемерзлых грунтов.Оттаивание электролитическими нагревателями. Для устройства электролитического нагревателя в грунте пробуривается скважина диаметром 110-130 мм, в которую погружается стальная труба диаметром 100-110 мм с герметически заваренным нижним торцом (рис. №5а). Труба служит внешним электродом нагревателя. Внутренний электрод изготавливается из газовой трубы диаметром 20-25 мм. На внутренний электрод надевают изолирующие кольца, а в торце устраивается изолирующая пробка. В трубу заливают электролит – водный раствор поваренной соли и нагревают при помощи элетричества. Объем электролита рассчитывается таким образом, чтобы уровень его не превышал верхней границы требуемой зоны оттаивания [3,5].
Рис. №5. Оттаивание мерзлых грунтов электролитическими (а) и омическими (б) нагревателями: 1-скважина; 2-корпус нагревателя; 3-электрод; 4-электролит; 5-дополнительные металлические стержни; 6-грунт; 7-песчаная засыпка [5].
Оттаивание омическими нагревателями. Данный тип нагревателя более известен как нагревателя постоянной мощности. Он представляет собой металлический стержень из арматурной стали в виде скобки, укрепленной деревянными изоляторами (рис. №5б) [3,5].
Оттаивание пропусканием электрического тока через грунт. При этом способе оттаивания ток в грунт подается через электроды. В качестве электродов используются металлические стержни из арматурной стали или перфорированные трубы (в случае последующего применения электроосмоса). К электродам подается переменный ток напряжением 380 В и выше. В связи с этим при электродном способе оттаивания предъявляют повышенные требования к технике безопасности [3,5].
Рис. №6. Оттаивание мерзлых грунтов электродами [5].
Аэ, Иэ, Сэ – ряды электродов, распределенные по фазам. 1-электроды; 2-понижающий трансформатор; 3-уровень грунтовых вод; 4- граница многолетнемерзлых грунтов; 5-очертание предельной чаши оттаивания; 6-развитие чаши оттаивания во времени
Оттаивание комбинированным способом. При этом способе оттаивания применяются описанные выше омические нагреватели, которые в начале процесса используют по своему прямому назначению, а затем в качестве электродов [3,5].
Парооттаивание в большинстве практических случаев осуществляется с использованием открытых паровых игл. Они изготавливаются из бесшовных стальных труб диаметром 34 мм и толщиной стенки 5 мм. Нижний конец трубы сплющивают и в нем утраивают два отверстия диаметром 6 мм. Большим недостатком открытых игл является повышение влажности оттаиваемого массива вследствие конденсации пара в порах грунта, что не возникает при использовании закрытых игл. С другой стороны, закрытые иглы уменьшают скорость оттаивания. Закрытая паровая игла состоит из двух коаксиальных труб. Пар подается в центральную трубу и выходит в зазор между трубами. Давление пара в игле составляет 3-5 атмосфер, температура пара 120-130°С. В качестве источника пара обычно используют передвижные паровые котлы [3,5].
Заключение

К методам применения II принципа строительства фундаментов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с их оттаиванием относятся:
Способ с приспособлением надфундаментной конструкции к неравномерным осадкам основания при оттаивании многолетнемерзлых пород;
Способ с предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород под всем зданием;
Способ с локальным предварительным оттаиванием многолетнемерзлых пород (оттаивание производится только в местах передачи на основание нагрузки от здания);
Каждый из способов имеет ряд ограничеий и область применения. Первый возможно применять лишь для застройки участков с непросадочными или малопросадочными (просадочность менее 0,03) при оттаивании многолетнемерзлыми грунтами. Второй не рекомендуется применять на высокопросадочных грунтах, требователен к теплотехническому прогнозу. Третий может быть рекомендован только на прочных малольдистых грунтах.
Литература:
Ершов Э.Д. Общая геокриология: Учебник.-М.: изд-во МГУ, 2002. – 682 с.: ил.
Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Основы геологии. М.:Высшая школа, 1991.,
Основы геокриологии. Ч.5. Инженерная геокриология/ Под ред. Э.Д. Ершова – М.: Изд-во МГУ, 1999 – 526 с.
СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунта. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88».
Хрусталев Л. Н., Емельянова Л. В. Прогноз теплового и механического взаимодействия инженерных сооружений с многолетнемерзлыми грунтами в примерах и задачах. — Москва: Москва, 2018. — 146 с.