УДК 69

Сваи в вечномерзлом грунте

Матвеенко Кристина Владимировна – студент Красноярского института железнодорожного транспорта филиала Иркутского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель Преснов Олег Михайлович – кандидат технических наук, доцент

Красноярского института железнодорожного транспорта филиала Иркутского государственного университета путей сообщения.

Аннотация: В статье приведены основные проблемы, связанные с уникальными характеристиками возведения свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах, рассмотрены особые методы и технологии в строительстве, при использовании свай.

Ключевые слова: вечномерзлые грунты, свайные фундаменты, теплоизолирующие материалы, глубокое закладывание свай.

В этой научной статье рассматривается специфика и ключевые принципы строительства свай в условиях работы с вечномерзлым грунтом. Требуется отметить, что сейчас есть современные методы и технологии, которые так или иначе упрощают процесс возведения разных видов фундаментов, и даже при глубоком залегании снижены риски неравномерного распределения нагрузки на объект. Понятие вечномерзлого грунта стало актуальным лишь несколько последних десятилетий, так как еще в первой середине двадцатого столетия на таких территориях строительство жилых многоквартирных домов было или запрещено, или не рекомендовано. Вечномерзлый грунт представляет собой структурно неустойчивую поверхность с уникальными характеристиками. В мерзлом состоянии земля должна быть не менее трех лет, после которых на территории начинается кардинальная трансформация почвогрунта. При этом важно отметить и другие особенности вечномерзлых грунтов, которые влияют на специфику строительства производственных, складских и жилых объектов.

Во-первых, вечномерзлые грунты, как правило, залегают на глубине от 0,5 м. до 4,5 м. Во-вторых, в процентном соотношении они представляют весьма значительную долю территории Российской Федерации. И, в-третьих, вечномерзлые грунты имеют в составе лед, отличаются колебаниями низких температур на протяжении нескольких лет. Эта тема признана одной из весьма актуальных в современных условиях, так как до сих пор ведутся поиски мер по совершенствованию безопасности строительных объектов, возводимых на вечномерзлых грунтах.

Причина нестабильной структуры грунта в том, что при оттаиваниях и промерзаниях поверхностей увеличивается механическая нагрузка. Именно по этой причине фундамент здания должен быть максимально устойчивым к любым видам деформаций, к серьезному силовому воздействию. Тема была детально изучена, в результате чего исследователям удалось выработать меры и принципы для строительства зданий, возведения серьезных сооружений на мерзлых грунтах. К основным правилам относятся:

- Принцип I – использование мерзлого состояния грунтов в стадии возведения, и сохранение такого состояния в период эксплуатации сооружений;

- Принцип II – предварительное оттаивание грунта на необходимую глубину перед началом строительства, либо в процессе эксплуатации сооружений.

Первый принцип необходимо реализовывать в тех случаях, когда сохранение грунта в вечномерзлом состоянии обойдется дешевле, в отличие от улучшения его строительных свойств после оттаивания. Применяется данный способ на участках с твердомерзлыми грунтами, и при повышенной сейсмической активности района. Отдельно стоит отметить, что возведение жилых и нежилых объектов на пластичных вечномерзлых грунтах требует проведения дополнительных мероприятий, связанных с повышением свойств фундамента. Выполняются меры по экстренному уменьшению температуры грунта, с соблюдением конкретных значений. При этом важно учитывать и расчеты по пластической деформации вечномерзлых грунтов, что напрямую влияет на механические и силовые нагрузки, воздействующие на сваи, все доступные виды оснований для строительных объектов. Именно этот первый принцип работы со сваями на мерзлых грунтах является наиболее важным, так как снижение температуры приводит к стабилизации прочностных свойств.

Второй принцип должен быть реализован в ситуациях, которые связаны с незначительной деформацией вечномерзлого грунта в период оттаивания, то есть рассматриваемые показатели не превышают допустимых знаний. Однако эти мероприятия проводятся также и в случаях, когда вечномерзлый грунт залегает на разной глубине, что является проблемой для стабилизации свай зданий и сооружений. Результаты последних исследований доказывают, что второй принцип является экономически выгодным, более эффективным, даже в какой-то мере практичным, чем первый. Однако выбор строительства здания по первому принципу связан с частым использованием монолитно бетонных, столбчатых и свайных фундаментов из-за их отличных прочностных свойств.

Важно также отметить, что правильный выбор фундамента при работе на вечномерзлом грунте является ключевым критерием успешного строительства – вне зависимости от сложности объекта, глубине залегания и характеристик территории. Ключевым требованием до начала работ является создание среды для предотвращения согревания грунта, то есть нужно организовать такие условия, при которых поверхность земли будет постоянно охлаждаться на допустимые знания (под возводимым объектом или рядом с ним) [1]. В ряде районов из-за специфических естественных, экономических особенностей распространения мерзлых грунтов существуют дополнительные требования к подготовке проекта строительства, к возведению и дальнейшей эксплуатации зданий. Например, важно учитывать резкие перепады температур, низкие температуры, глубокое залегание вечномерзлого грунта, отдаленность, малую освоенность конкретных территорий. Наиболее значимой проблемой сегодня остается промерзание «сложного» типа грунта в осенне-зимний период. Это может вызвать поднятие и деформацию свай, что в конечном итоге может привести к нарушению интегритета фундаментной конструкции. В летний период вечномерзлые грунты могут оттаивать, что также может привести к деформации и опусканию свай. Это может быть особенно проблематично, если конструкция построена на недостаточно глубоко замерзших слоях грунта.

Различные скорости промерзания и оттаивания грунта в разных частях фундамента могут привести к неравномерным деформациям конструкции. Это может вызвать наклон или неравномерное оседание здания. Вечномерзлые грунты могут подвергаться циклическому процессу морозного расширения и таяния, что может привести к усадке и перемещению свай и фундаментной конструкции [2]. Грунтовый состав в регионах вечной мерзлоты неоднороден, что усложняет выбор оптимального местоположения и глубины установки свай. В удаленных районах, где расположены вечномерзлые грунты, может быть ограничен доступ к специализированным материалам и технологиям, что делает процесс строительства более сложным и затратным.

Для преодоления этих проблем и обеспечения устойчивости свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах, может быть применено несколько методов, включая глубокое закладывание свай, использование теплоизоляционных материалов, применение микропалов и свай с широкими основаниями, а также регулярный мониторинг и обслуживание фундаментных конструкций [3].

Применение теплоизолирующих материалов:

Перед установкой свай можно применять теплоизолирующие материалы вокруг места установки. Это может помочь снизить воздействие тепла от конструкции на окружающий грунт и уменьшить риск промерзания.

Применение теплоизолирующих материалов при возведении свай в вечномерзлых грунтах имеет ряд преимуществ и может помочь в уменьшении негативного воздействия промерзания на структуру свай, а также способствует повышению надежности фундаментов и продлению их срока службы. Вот некоторые способы применения теплоизоляции.

Изоляция верхней части свай. Верхний конец сваи, который находится в более теплом слое грунта или над землей, может быть обернут теплоизоляционным материалом, таким как пенополистирол (ППС), минеральная вата или экспандированный перлит. Это поможет предотвратить переохлаждение верхней части сваи и уменьшить риск промерзания.

Закладывание теплоизоляции вокруг основания свай. Под нижней частью сваи можно разместить слой теплоизоляционного материала для создания барьера между сваей и замерзшим грунтом. Это поможет сохранить тепло вокруг сваи и предотвратить замерзание грунта вокруг неё.

Использование теплоизолирующих накладок. Специальные теплоизолирующие накладки могут быть установлены на верхнюю поверхность свай перед установкой фундаментных плит или других конструкций. Это поможет снизить теплоотдачу от структуры сваи и предотвратить промерзание грунта вокруг нее.

Использование интегрированных систем. Некоторые теплоизоляционные материалы могут быть интегрированы непосредственно в конструкцию свай, например, путем добавления теплоизолирующих примесей в бетон или используя специальные теплоизолирующие блоки.

Важно регулярно проверять состояние теплоизоляции и свай, особенно после сезона промерзания, чтобы убедиться, что материалы не повреждены и обеспечивают надлежащую защиту от промерзания.

Применение теплоизоляционных материалов в сочетании с другими технологиями и методами может помочь повысить устойчивость свай в вечномерзлых грунтах и уменьшить вероятность деформации и разрушения конструкций.

Известен способ возведения фундамента при отрицательной температуре наружного воздуха на вечномерзлом основании, включающий разработку котлована, возведение тела фундамента и обратную засыпку котлована грунтом с одновременной подачей воды до полного насыщения грунта засыпки с последующим промораживанием водонасыщенного грунта при температуре окружающего воздуха. Недостатками метода признается тот факт, что он может быть реализован только в зимнее время при отрицательной температуре окружающего воздуха, а также неоднородность состава грунта засыпки, не позволяющая получить монолит смерзшегося грунта высокой прочности с необходимой силой сцепления.

Известен способ возведения сваи в вечномерзлом грунте включающий пробуривание скважины, установку в нее ствола сваи, заполнение пространства между стволом сваи и стенками скважины кусками мерзлого водонасыщенного грунта, после чего с помощью паровой иглы производят оттаивание верхней части пространства до превышения уровня образующейся при оттаивании грунтовой массы над кусками мерзлого грунта.

Способ возведения свай в вечномерзлом грунте осуществляют так:

На поверхности грунта бурят скважину диаметром, значительно большим, чем диаметр сваи, глубиной 0,5-1 м., причем соотношение диаметров скважины и сваи принято равным, например, 1:0,4.
Ниже получившейся полости бурят скважину глубиной 0,5-1 м. от первоначальной скважины при соотношении диаметров скважины и сваи, например, 1:0,6.
Выполняется бурение третьей скважины глубиной 0,5-1 м. при соотношении диаметров скважины и сваи, например, 1:0,7.
В забой полученной трехступенчатой скважины опускают паровую иглу.
После прогрева грунта на глубину вибропогружателем устанавливают ствол сваи в растепленный грунт.

Далее заполняют полость между сваей и стенками скважины горячим раствором глины с цементом. При этом повышается несущая способность сваи, ее сопротивляемость опрокидыванию, сохраняется устойчивость при внезапном оттаивании за счет увеличенного диаметра устья скважины [4].

Глубокое закладывание свай:

Метод глубокого закладывания свай в вечномерзлых грунтах предполагает установку свай на глубокую глубину, чтобы они находились в стабильном слое грунта, который не подвержен циклическому промерзанию и оттаиванию. Этот метод обеспечивает более надежное и устойчивое основание для строительства, так как сваи достаточно глубоко проникают в мерзлый грунт, что снижает вероятность деформации и разрушения фундаментной конструкции из-за сезонных изменений температуры.

Перед началом строительства проводятся геотехнические исследования для определения характеристик грунта на участке и выбора оптимальной глубины установки свай.

Определяется глубина, до которой происходит замерзание грунта в зимний период. Это позволяет определить оптимальную глубину установки свай для избежания их промерзания и деформации.

На основе результатов геотехнических исследований и определения глубины замерзания грунта проектируются сваи, которые должны быть достаточно длинными, чтобы проникнуть в незамерзший слой грунта.

Сваи устанавливаются с использованием специализированного оборудования, такого как сваебойные машины. Они приводятся в грунт до достижения заданной глубины, обеспечивая надежное и устойчивое основание для фундаментной конструкции.

После установки свай проводится контроль качества, чтобы убедиться, что они установлены на необходимую глубину и не подвержены деформации или повреждениям.

Метод глубокого закладывания свай в вечномерзлых грунтах является эффективным способом обеспечения устойчивости фундаментной конструкции в условиях переменной температуры и сезонных изменений грунтового состояния.

Список литературы

Цытович, Н.А. Механика мерзлых грунтов / Н.А. Цытович. – М. : Высшая школа, 1973. – 448 с.
СП 25.13330.2012. Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. –М. : ФГУП ЦПП, 2012.
СП 24.13330.2011. Свод правил. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. – М. : ФГУП ЦПП, 2012.
Патент 2692394 «Способ возведения свай в вечномерзлом грунте» Преснов О.М., Левченко А.Н.