Строительство в особых условиях Строительство зданий в районах вечной мерзлоты

В зависимости от глубины залегания вечномерзлого грунта се­зонный мерзлый слой может отделяться от него слоем талого грунта или эти слои будут сливаться.

Значительная часть вечномерзлых грунтов находится в льдонасыщенном состоянии или же содержит в себе отдельные включе­ния льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные грунты, которые, обладая высокой не­сущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий.

В районах вечной мерзлоты встречаются также пучинистые грун­ты, располагаемые в толще деятельного слоя, а также наледи, кото­рые могут оказывать разрушающее действие на здания. Пучинистые грунты при сезонном замерзании деятельного слоя могут подвергнуть фундаменты выпучиванию.

Наледи представляют собой вспучивание почвы в виде бугров значительных размеров. Их образование происходит за счет сезон­ного промерзания надмерзлотных грунтовых вод с последующим аккумулированием большого количества льда. Иногда под действием внутренней напряженной воды и льда верхние слои грунта про­рываются, а вода, замерзая, создает сплошные наледи, способные  заливать и разрушать постройки.

При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строитель­ства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не под­вергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.

В зависимости от геологических, гидрогеологических и клима­тических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:

возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы, не имеющие значительных трeщин, заполненных льдом или мерзлым грунтом. Здесь вечная мерзлота не имеет практи­ческого значения.

Если глубина залегания таких оснований до 3 м, то фундаменты устраивают обычные; если глубина 3-4 м – железобетонные столб­чатые или свайные, а при глубине более 4м – свайные с заглубле­нием свай в толщину ненарушенной структуры путем устройства буровых скважин.

При строительстве на трещиноватых смерзшихся коренных по­родах прочность основания усиливают путем бурения скважин и нагнетания в них под давлением пара для оттаивания льда и разо­грева толщи грунта до 50 °С, после этого сразу нагнетают в трещины под давлением цементный раствор, который затвердевает до охлаж­дения толщи грунта. Этот же метод используют при строительстве на таликах достаточной мощности при отсутствии в них вечномерзлых включений;

сохранение грунтов основания в вечномерзлом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасыщенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым темпе­ратурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодно­го подполья высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более.

Для проветривания подполья в цоколе устраивают продухи, позволяющие регулировать поступления воздуха в зависимости от времени года;

оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при от­таивании. Для того чтобы обеспечить медленное и равномерное оттаивание грунта, рекомендуется глубину заложения принимать минимальной (но не менее конструктивной) в случае, если деятельный слой не состоит из пучинистых грунтов, а также заменять деятельный слой грунта, если он включает пучинистые породы.

При таком методе обеспечивается общая жесткость здания (пу­тем устройства непрерывных железобетонных поясов, замоноличенных швов и др.);

предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключа­ется восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов. Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в ре­зультате всестороннего технико-экономического анализа.

При проектировании производственных зданий предпочтение следует отдавать их блокировке в единые корпуса. Наиболее целе­сообразно возводить большепролетные здания с размещением обо­рудования на этажерках, которые не связаны с каркасом здания.

Для ограждающих конструкций применяют слоистые элементы из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уде­лять воздухонепроницаемости конструкций – в местах соединения элементов и в стыках панелей.

Сейсмостойкое строительство, строительство, осуществляемое в районах, подверженных землетрясениям, с учётом воздействия на здания и сооружения сейсмических (инерционных) сил. Наряду с термином «С. с.» получил распространение более точный термин «антисейсмическое строительство». Дополнительные требования к объектам, строящимся в сейсмических районах, устанавливаются соответствующими нормами (правилами).

  Интенсивность землетрясений в разных странах оценивается по различным сейсмическим шкалам. По принятой в СССР шкале (ГОСТ 6249—52) опасными для зданий и сооружений считаются землетрясения, интенсивность которых достигает 7 баллов и более. В районах, где прогнозируемая максимальная интенсивность землетрясений (сейсмичность, сейсмическая активность) не превышает 6 баллов, проведение специальных антисейсмических мероприятий (при проектировании и строительстве), как правило, не предусматривается. Сейсмичность районов, подверженных землетрясениям, определяется по картам сейсмического районирования. Для уточнения сейсмичности площадки (участка) строительства проводятся соответствующие изыскания (см.Сейсмическое микрорайонирование). Строительство в районах с сейсмичностью, превышающей 9 баллов, весьма неэкономично. Поэтому в нормах указания ограничены районами 7—9-балльной сейсмичности. Обеспечение полной сохранности зданий во время землетрясений обычно требует больших затрат на антисейсмические мероприятия, а в некоторых случаях практически неосуществимо. Учитывая, что землетрясения (особенно сильные) происходят сравнительно редко, нормами допускается возможность повреждения элементов конструкций, не представляющего угрозы для безопасности людей или сохранности ценного оборудования.

  Степень сейсмического воздействия на здания (сооружения) в значительной мере зависит от грунтовых условий. Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении считаются прочные скальные грунты. Сильно выветренные или нарушенные геологическими процессами породы, просадочные грунты, районы осыпей, плывунов, горных выработок неблагоприятны, а иногда и непригодны для устройства оснований сооружений; в тех случаях, когда строительство всё же осуществляется в таких геологических условиях, прибегают к усилению оснований и осуществляют дополнительные мероприятия по сейсмозащите сооружений. Это приводит к значительному удорожанию строительства.

  Сейсмостойкость сооружения обеспечивается как выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства, так и разработкой наиболее рациональных конструктивной и планировочной схем сооружения, специальными конструктивными мероприятиями, повышающими прочность и монолитность несущих конструкций, создающих возможность развития в конструктивных элементах и узлах пластических деформаций, значительно увеличивающих сопротивляемость сооружений действию сейсмических сил. Большое значение для повышения сейсмостойкости сооружений имеет высокое качество строительных материалов и работ.

  Правильность выбора конструктивных систем и размеров сечений определяется соответствующим расчётом конструкций. Согласно действующим нормам, расчёт сейсмостойких сооружений, как правило, производится по несущей способности и предусматривает нахождение расчётных сейсмических нагрузок. Точно определить величины сейсмических сил и направления их действия на сооружение не представляется возможным, т. к. движение земной коры во время землетрясения зависит от многих факторов, количественная оценка которых возможна лишь при известных допущениях. Применяются различные приближённые методы оценки сейсмических сил. Получивший распространение в 1-й половине 20 в. т. н. статический метод определения сейсмических сил исходит из предположения о том, что сооружение представляет собой абсолютно жёсткое тело, все точки которого имеют сейсмические ускорения, равные ускорению основания, и что, следовательно, развивающиеся в сооружении инерционные силы равны произведениям соответствующих масс на ускорение основания. Более совершенным является динамический метод определения сейсмических сил, применяемый в современной практике проектирования и расчёта сейсмостойких сооружений в СССР, США и других странах. Однако и этот метод предполагает ряд допущений, необходимость которых вызвана главным образом отсутствием надёжной исходной информации о максимальных величинах и законах изменения во времени при землетрясениях основных характеристик движения оснований зданий и других сооружений (смещений, скоростей, ускорений и др.).

  Учитывая приближённый характер методов расчётной оценки сейсмостойкости сооружений, нормы вводят ряд обязательных конструктивных ограничений и требований. К их числу относится, например, ограничение размеров зданий в плане и по высоте. Так, высота зданий с кирпичными стенами из кладки 2-й категории (установлены 3 категории сейсмостойкости кладки: 1-я обладает наибольшей прочностью и монолитностью, 3-я — наименьшей), возводимых в районах с 7-балльной сейсмичностью, не должна превышать 4 этажей, а с 9-балльной — 2 этажей. Для кирпичных и каменных стен нормами определены минимальные размеры сечений простенков и расстояний между стенами, требуется обязательное введение поэтажных железобетонных поясов и т. п. Высота зданий, сооружаемых из наиболее надёжных конструкций и материалов (например, каркасных — из стали и железобетона, с монолитными железобетонными стенами), нормами не ограничивается.

  Величины сейсмических нагрузок и все конструктивные требования устанавливаются нормами в зависимости от сейсмичности площадки строительства и назначения здания (сооружения). Для большинства зданий их расчётная сейсмичность принимается равной сейсмичности строит. площадки. Для особо ответственных сооружений их расчётная сейсмичность повышается по сравнению с сейсмичностью строительной площадки (как правило, на один балл, что соответствует увеличению сейсмических нагрузок вдвое), а для временных сооружений (например, складов), разрушение которых не связано с человеческими жертвами, — снижается.

 

  Лит.: Руководство по проектированию сейсмостойких зданий и сооружений, т. 1—4, М., 1968—71; Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел А, гл. 12. Строительство в сейсмических районах, М., 1970; Сейсмостойкое строительство зданий, М., 1971; Саваренский Е. Ф., Сейсмические волны, М., 1972; Современное состояние теории сейсмостойкости и сейсмостойкие сооружения М., 1973.

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ

Просадочные грунты широко распространены в Южной и Северной Америке, Новой Зеландии, Северной Африке, Средней

Азии, в Европе и Азии. На Украине они занимают свыше 70 % территории. На Северном Кавказе и Закавказье просадочные грунты

встречаются в районах земледелия, промышленного и гражданского строительства. Распространены они на территории ЦЧР.

Характерными внешними признаками лессовых и лессовидных пород являются [3, 15, 32, 45, 50, 51]: видимая невооруженным

глазом пористость, обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев; способностью держаться

вертикальными обрывами значительной высоты; быстрая размокаемость в воде; отсутствие мелкой слоистости; светлая окраска в

сухом состоянии; наличие ходов мелких животных (кротовин); большие неравномерные деформации (просадки) при увлажнении

под действием веса здания или только от действия собственного веса; существенное изменение физико-механических свойств под

влиянием влаги и напряженного состояния.

Под действием нагрузки и замачивания наблюдаются вертикальные деформации провального характера, связанные с коренным

нарушением структуры. Абсолютные величины просадок часто превышают предельно допустимые. Замачивание, как правило, не

равномерно на площади. По этой причине возникают значительные неравномерные деформации. Замачивание грунта приводит к

изменению напряженного состояния в массиве грунтов. Происходит это вследствие [34]: увеличения влажности при аварийном

замачивании; уплотнения грунтов при ликвидации их просадочных свойств; устройства обратных засыпок котлованов (в двух

последних случаях плотность грунта в сухом состоянии возрастает с 1,35 ... 1,5 до 1,75 ... 1,95 г/см3); применения фундаментов из

забивных, набивных и буронабивных свай; устройства фундаментов под технологическое оборудование; постоянной и временной

нагрузки на полы, от веса зданий и сооружений (их необходимо учитывать не только в пределах активной и деформируемой зон, но

и в пределах всей просадочной толщи, в том числе и при сжатии подстилающих ее грунтов); динамических воздействий от

работающих внутри и вокруг зданий технологического оборудования, железнодорожного и автомобильного транспорта.

При устройстве планировочных насыпей вертикальные напряжения в просадочной толще возрастают. Срезы грунта,

устройство подвалов, тоннелей приводит к разгрузке грунтовой толщи.

Увеличение напряженного состояния приводит к дополнительным осадкам подстилающих просадочную толщу

непросадочных грунтов.

В случае подъема подземных грунтовых вод просадки грунтов происходят со значительным запаздыванием и

водонасыщенный грунт сохраняет остаточную просадочность. При снижении быстро поднявшегося УПВ интенсивность прироста

просадок возрастает.

Для оценки технического состояния зданий, построенных на просадочных грунтах, часто используют критерий Е. С. Руденко,

включающий пять степеней:

I – наличие в стенах и фундаментах волосяных трещин, с раскрытием не более 3 мм;

II – то же, с раcкрытием трещин до 10 мм, имеющих протяженность в пределах двух-трех этажей;

III – то же, в большом количестве, с раскрытием 10 … 30 мм, в пределах двух и более этажей;

IV – аварийное состояние здания с раскрытием сквозных трещин более 20 мм, с опасностью разрушения отдельных узлов

конструкций;

V – разрушение здания или его части.

Причинами значительных деформаций зданий на свайных фундаментах в сложных инженерно-геологических условиях

являются: неполная прорезка сваями просадочных грунтов, расположение концов свай в слабых грунтах (торфы, сапропели,

илистые грунты), подъем свай в пучинистых грунтах, расположение концов свай в грунтах разной плотности и на крутопадающем

рельефе, изменение гидрогеологических условий (подтопление), провоцированные подвижки больших масс грунта, многократное

приложение значительных временных нагрузок, внецентренное приложениe временных нагрузок (разгрузка и загрузка силосных

банок).

В случаях, когда исключается замачивание просадочных грунтов сверху или вследствие подъема уровня грунтовых вод, а

возможно лишь медленное повышение влажности, основания и фундаменты проектируют как на обычных непросадочных грунтах

[15, 50, 51].

При возможности и неизбежности замачивания нормальная эксплуатация здания и сооружения достигается применением

одного из следующих принципов [32, 50]:

• устранения просадочных свойств грунтов;

• прорезки просадочных грунтов глубокими фундаментами;

• комплекса мероприятий, включающих подготовку основания, водозащитные и конструктивные мероприятия.

Устранение просадочных свойств достигается путем уплотнения и закрепления.

Для уплотнения просадочных грунтов с I типом грунтовых условий по просадочности применяют: поверхностное уплотнение

тяжелыми трамбовками, вытрамбовывание котлованов, устройство грунтовых подушек. На площадках со II типом применяют:

предварительное замачивание, в том числе, с глубинными взрывами, глубинное уплотнение пробивкой скважин (грунтовыми

сваями) и др. Закрепляют просадочные грунты силикатизацией, обжигом.

Прорезкой просадочных грунтов глубокими фундаментами обеспечивается передача нагрузки фундаментов на подстилающий

грунт. Она выполняется свайными фундаментами из забивных и набивных свай, столбами из закрепленного грунта.

Водозащитные мероприятия применяются, как правило, на площадках со вторым типом грунтовых условий по просадочности

с целью снижения вероятности замачивания грунтов, исключения интенсивного замачивания на всю толщину, контроля за

состоянием сетей, обеспечения своевременного предотвращения замачивания.

В комплекс водозащитных мероприятий входит: компоновка генплана, планировка застраиваемой территории, устройство под

зданиями и сооружениями маловодопроницаемых экранов, качественная засыпка пазух котлованов и траншей, устройство

уширенных отмосток, прокладка коммуникаций, несущих воду, в непроницаемых лотках, отвод аварийных вод за пределы здания.

Для обеспечения прочности, устойчивости и эксплуатационной надежности зданий, возводимых в грунтовых условиях II-го

типа по просадочности, необходимы расчеты на воздействие:

• искривления основания под зданием вследствие просадки грунта от собственной массы;

• неравномерных просадок основания от нагрузки фундаментов в случае неполного устранения просадочности грунтов в

деформируемой зоне основания;

• горизонтальных деформаций основания;

• усилий, возникающих в контактных устройствах крупнопанельных домов при замыкании деформационных швов.

Конструктивные мероприятия применяют при строительстве зданий на просадочных грунтах II типа по просадочности [13,

32], возводимых с использованием комплекса мероприятий, которые направлены на:

• повышение прочности и общей пространственной жесткости зданий и сооружений;

• увеличение податливости зданий и сооружений за счет применения гибких или податливых конструкций;

• обеспечение нормальной эксплуатации зданий и сооружений при возможных неравномерных просадках грунтов

основания.

Мероприятия первой группы включают: разрезку здания осадочными швами на отдельные отсеки, устройство

железобетонных поясов и армированных швов, повышение степени армирования отдельных железобетонных элементов,

устройство жестких горизонтальных диафрагм, усиление фундаментно-подвальной части зданий и сооружений путем применения

монолитных или сборно-монолитных фундаментов.

Мероприятия второй группы состоят в обеспечении гибкой связи между отдельными элементами конструкций, повышении

площади опирания отдельных конструктивных элементов, увеличении устойчивости элементов конструкций при повышенных

деформациях оснований, повышении влаго- и водонепроницаемости стыков между отдельными элементами конструкций.

Мероприятия третьей группы заключаются в применении таких конструктивных решений отдельных узлов и деталей,

которые позволяют в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуатацию кранов, лифтов и

т.д., увеличении габаритов между отдельными конструкциями, обеспечивающими восстановление нормальной эксплуатации

оборудования.

При частичном устранении просадочных свойств грунтов поверхностным уплотнением тяжелыми трамбовками, химическим

закреплением, устройством грунтовых подушек в пределах всей площади здания в основании образуется маловодонепроницаемый

экран. Интенсивность увлажнения грунта резко снижается.

В [9] описан метод организованного увлажнения просадочных грунтов оснований здания. Увлажнение грунта производится

после возведения коробки здания и набора им проектной массы и жесткости. Для обеспечения изгибной жесткости устраиваются

железобетонные или армокирпичные пояса в нижней зоне (в подошве фундамента, поверх сборных бетонных блоков, в уровне

перекрытия цокольного этажа) на случай реализации деформаций прогиба и в уровнях междуэтажных перекрытий верхних этажей

на случай реализации деформации выгиба. Под фундаментами устраивается гравийно-песчаная дренирующая подушка,

разделенная на "захватки" длиной около 10 м при помощи глиняных замков. Водораспределительная система состоит из

подводящего трубопровода диаметром 100 … 150 мм с водомером, задвижкой, ответвлениями труб диаметром 70 … 100 мм с

раздаточными штуцерами и водоприемниками.

Вычисляется объем воды, необходимый для полного водонасыщения, время увлажнения грунта. Организуются работы по

геодезическому наблюдению за деформациями здания. В течение одного-полутора месяцев после начала работ по увлажнению

деформации грунтового основания стабилизируются: скорость просадки не превышает 1 мм/сут. В период развития просадок

определяются значения относительного прогиба (выгиба) и кручения. При приближении их к критическим величинам изменяют

режим увлажнения. Величина просадки может достигать одного метра. Вследствие этого зданию придают начальный

строительный подъем на величину ожидаемых просадок.

Для бескаркасных зданий высотой до 12 этажей, рассчитанных и запроектированных на просадочных грунтах с комплексом

мероприятий, предельными деформациями являются:

• средняя суммарная осадка и просадка su = 20 см;

• относительная разность суммарных просадок ( ∆s / l ) = 0,002;

• крен i u = 0,008.

Допустимые наклоны лифтовых шахт в десять раз ниже величины предельного крена. Вследствие этого предусматривают

соответствующие зазоры вокруг лифтовых шахт.

Просадка грунта вызывает горизонтальные перемещения и дополнительные сжимающие и растягивающие усилия в

фундаментах, стенах и конструкциях перекрытий. Возможны горизонтальные перемещения отдельных зданий в целом или секций.