В статье рассматриваются способы устройств фундаментов на вечномерзлых грунтах, которые исключают оттаивание основания за счет приподнятого над землей ростверка.
Ключевые слова: строительство в Арктике, быстровозводимые здания, легкие конструкции, вечномерзлый грунт, пустотелые сваи, сохранение основания в мерзлом состоянии, свайный фундамент, монтаж свай.
Возведение зданий и сооружений в Арктических условиях, где вечномерзлые грунты и суровые климатические условия производится с применением легких стальных конструкций, панелей типа сэндвич и объемных модулей, в связи с чем способ возведения фундаментов в условиях Арктики рассматривается для быстровозводимых зданий и сооружений.
Вечномерзлыми грунтами называют те грунты, которые находятся в замороженном состоянии (имеют отрицательную температуру и большое количество кристаллов льда в своем составе) как минимум три года без возможности полной разморозки [1–2].
Вечномерзлые нескальные грунты классифицируются по 3 категориям, согласно их природной структуре.
Твердомерзлые грунты — это крупнообломочные, песчаные, глинистые и торфянистые грунты с видимыми ледяными включениями воды (при температуре от 0 и ниже), в процессе оттаивания изменяется цвет. По физическому состоянию обладают характерными большую твердость и цементированность со льдом.
Пластично-мерзлые грунты — это все возможные виды глинистых грунтов, так же печки мелкие или пылеватые со льдом в виде маленьких кристаллов (присутствует внутри замерзшая вода, температура от 0 и ниже). По физическому состоянию являются на половину примерзшими или пластичными грунтами.
Сыпучемерзлые грунты — под эту категорию попадают все крупнообломочные грунты, пески крупной и средней крупности, иногда видны еле заметные кристаллики воды (температура от 0 и ниже). Надо учитывать, что по сравнению с остальными категориями грунтов они являются не смерзшимися и сыпучими, имеют возможность менять температуру от отрицательной к положительной и обратно (подвержены таянию).
Методы для использования вечномерзлых грунтов как основания:
- Подходит для всех видов вечномерзлых грунтов с условием их непросадочности — это когда основание берется без учета вечномерзлого состояния грунта (метод 1);
- Используется, когда возможно сохранить целостность вечномерзлого грунта учитывая все время использования здания (метод 2). Для такого метода характерны крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, а также для просадочных и сильно просадочных.
- Применяется, когда есть возможность оттаивания грунтов под основанием в процессе строительства или после строительства (метод 3). Виды характерны, как и для метода 2.
- Когда есть возможность на этапе предстроительства таяния грунтов (метод 4). Часто встречающиеся виды — сильно просадочные песчаные и глинистые грунты
Чтобы обеспечить возможность неразморозки грунтов и препятствовать эффекту таяния грунта следует применят некоторые способы:
– при строительстве необходимы учитывать, что нужны вентилируемые подвальные или подпольные ниши с гидроизоляцией;
– учитывать, что будет необходимо устанавливать охлаждающий контур из труб с охладителем или морозильные установки;
– предусмотреть для крио установок сезонный способ работы, если такой необходим в текущих условиях
Рассмотренные технологии строительства свайных фундаментов не целесообразно применять для быстровозводимых зданий. По мнению автора перспективно устройство фундаментов в условиях Арктики на винтовых сваях. Стальные винтовые сваи существенно более легкие, в сравнении с бетонными сваями, что упрощает их доставку к месту выполнения работ. В следствие широкой винтообразной поверхности, винтовые сваи отлично сопротивляются вспучиванию грунтов, что существенно важно для эксплуатации зданий и сооружений.
В условиях вечной мерзлоты используются только усиленные сваи, что позволяет работать свайному полю в течение 50–60 лет [6].
Строение усиленных свай, усовершенствованная для применения на участках с вечной мерзлотой, представляет из себя литую стальную трубу с винтовым оперением. Для использования в тяжелых условиях монтажа, сваи обязаны иметь только литое, а не приваренное к трубе ленточное оперение. Хоть такая конструкция будет дороже обычной винтовой сваи, она имеет большую прочность, что очень существенно важно для суровых условий монтажа и эксплуатации винтовых свай в районах с вечной мерзлотой.
Когда приходит этап завершения разметки мест расположения свай производятся работы по их завинчиванию. Для этого используется специальное оборудование на базе автокранов, на стрелу которых устанавливается кабестан (Рис. 1) — гидравлическое оборудование, состоящее из установки ударно-вращательно бурения; дизельного, бензинового или иного привода и рабочего радиуса данной стрелы крана.
Рис. 1. Кабестан для ввинчивания винтовых свай в грунт
Очередность заглубления винтовых сваи (Рис. 2). Этапность работ выглядит так:
- Наконечник лебедки устанавливается на ствол сваи, выполняется фиксирование конструкции шкворнем. Этап монтажа происходит с помощью специализированных отверстий;
- В следствии перемещения стрелы крана свая ставится в месте погружения и к ней подводятся особо быстрые рычаги лебедки;
- Оператор включает установку и выполняется завинчивание сваи. Быстрота погружения конструкции регулируется благодаря изменениям количества оборотов дизельного привода гидравлического ротатора.
Оборудование для ввинчивания свай имеет задних ход, что дает возможность быстро изъять винтовую сваю из грунта в случае ее отклонения от изначальной траектории, и выполнить вторичное завинчивание.
Рис. 2. Пример процесса заглубления винтовой сваи
Рис. 3. Пример автотранспорта для погружения винтовых свай диаметром до 325 мм
После погружения в грунт всех свай производится гидрообрезка верхней части стволов по проектному уровню стройки. Производится данная работа с помощью так называемого сваереза, фиксируемого на стреле крана взамен лебедки или с помощью обыкновенной болгарки.
Пустотелые стволы стальных винтовых свай наполняются бетонным раствором марок М200-М300, это нужно чтобы предотвратить коррозийных процессов на стенках изнутри и повышения несущей способности свай. После чего на стволы ввариваются металлические оголовки, сварные соединения сразу же после этого покрываются защитными грунтовками для предотвращения негативных эффектах.
Заключительной этапностью монтажа — это установка ростверка для обвязки свай. Для этого к оголовкам приваривается швеллер и/или двутавровая балка. Данная работа производится как на периферии, так и внутри контура поля со сваями. В дальнейшем на стройплощадке ростверк служит основанием, на котором строятся стены дома.
В индивидуальной стройке часто применятся стволы свай диаметром 89 и 108 мм. Для строительства быстровозводимых зданий и сооружений в Арктике используются сваи диаметром 108–219 мм, реже 325 мм. Их несущая способность превышает 5т.
Рис. 4. Схематическое представление винтовой сваи (диаметр 108 мм)
Длина свай рассчитывается из данных по высотным скачкам на стройплощадке и сезонной глубины оттаивания. При условиях практически ровной стройплощадки применяются сваи длиной от 3 до 3.5 метра. Но стоит учитывать, что при разных уровнях рельефа в одном фундаменте могут использоваться отличающиеся по длине стволы. В большинстве случаев свайные опоры располагают с шагом примерно 2.5–3 метра друг относительно друга.
Для устройства фундамента применяют узко- и широколопастные винтовые сваи. Первые имеют лопасти шириной приближенно 20 см. Они предназначены для промерзших или плотных грунтов. Вследствие небольших габаритов лопасти сваи довольно свободно заходят в землю. Диаметр лопасти широколопастных изделий не меньше чем в 1,5 раза больше диаметра ствола. Это позволяет им эффективно сохранять сваю в слабых грунтах. При погружении винтовых свай в мерзлый грунт используется лидерное бурение шнеком (Рис. 5).
Рис. 5. Погружение винтовых свай в вечномерзлый грунт
Таким образом, одним из результативных методов устройства фундаментов для быстровозводимых зданий и сооружений в условиях Арктики являются высокий стальной ростверк по винтовым сваям, погружаемым вкручиванием в предварительно пробуренные в грунте скважины. Это позволит минимизировать затраченное время на строительство и в последствии на этапе эксплуатации здание или сооружение будет меньше подвержено аварийным ситуациям.
Литература:
1. Исследование технологии возведения каркасно-панельных и модульных зданий в Арктике // Евтюков С. А., Колчеданцев Л. М., Тилинин Ю. И.
2. Вестник гражданских инженеров. 2021. № 5.
3. Выбор технологии оперативного строительства объектов инфраструктуры с учетом долговечности зданий // Ю. И. Тилинин, Ч. О. Бахтинова, Е. В. Хорошенькая, В. Ю. Тилинин // Вестник гражданских инженеров. 2021 № 1. СПб.: СПБГАСУ, 2021
4. Повышение технологичности монтажа каркасно-панельных быстровозводимых зданий //Тилинин Ю. И., Животов Д. А., Тилинин В. Ю. Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2021. № 1.
5. Технология строительства опор мола//Тилинин Ю. И. В сборнике: Актуальные проблемы естественных и технических наук. Сборник статей межвузовской научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2021.
6. Разработка рекомендаций по выбору методов устройства свай // Тилинин Ю. И., Маслянцев Д. А. Colloquium-Journal. 2021. № 12–1.
7. Интернет ресурс: https://tehlib.com/storitel-ny-e-materialy/osnovaniya-i-fundamenty/osnovaniya-i-fundamenty-v-rajonah-rasprostraneniya-vechnomerzlyh-gruntov-chast-i/
