Одной из основных составных частей любого здания и сооружения является фундамент, который обеспечивает устойчивость, прочность и долговечность надфундаментных построек.
Выбор типа фундамента в зависимости от состава грунтов на строительной площадке и конструктивной схемы здания – сложная задача, особенно при проектировании и строительстве зданий и сооружений в северных регионах страны, где необходимо учитывать динамику мерзлотно-грунтовых условий в течение всего расчетного срока их эксплуатации.
Суровый климат северных регионов (продолжительный зимний период с экстремально низкими температурами) и вечная мерзлота оказывают существенное влияние на прочность материала фундамента, который находится в зоне переменной влажности (в сезоннопротаивающем слое грунтов основания). Сложные температурные, физические и химические воздействия среды на материал фундаментов совместно с эксплуатационными нагрузками вызывают в них необратимые деформации. Это относится, прежде всего, к свайным фундаментам, работающим в условиях продуваемых подполий.
Значительные внутренние напряжения в бетоне, приводящие к его разрушению, вызываются повышенным влагосодержанием в мелких порах и капиллярах. Увеличению влажности бетона фундаментов способствуют большие температурные градиенты, обусловливающие в холодное время года миграцию влаги из нижней части сваи, находящейся в еще не промерзшем грунте, в ее верхнюю часть. Миграционный влагоперенос при этом увеличивается развивающимся в замкнутом талике гидростатическим давлением, которое достигает значительных величин.
Разрушению бетона свайных фундаментов способствуют также следующие конструктивные и природные факторы: 1) неправильная планировка подполий и окружающей территории, не обеспечивающая отвода поверхностных, надмерзлотных и аварийных вод от фундаментов; 2) напорное давление надмерзлотных вод при промерзании грунта в начале зимнего периода; 3) химическая агрессивность воды сезоннопротаивающего слоя грунта; 4) образование трещин в сваях под действием температурных деформаций ростверков; 5) превышение расчетных напряжений в бетоне, значительно снижающее его морозостойкость.
Таким образом, существенные недостатки свайных фундаментов, широко используемых при строительстве зданий и сооружений в Якутии и других северных регионах страны, побудили начать исследования и разработку альтернативного типа фундаментов – поверхностных вентилируемых пространственных фундаментов-оболочек [1, 2].
Конструктивные особенности такого типа фундамента следующие:
– фундамент совмещает функции несущей и охлаждающей грунт конструкции, что осуществляется посредством отсыпаемого на мерзлом основании промежуточного слоя;
– промежуточный слой под пространственным фундаментом, выполняемый из непучинистого материала, значительно снижает интенсивность криогенных процессов при тепловом и механическом взаимодействии зданий с мерзлым основанием;
– фундамент возводится без нарушения мерзлотно-грунтовых условий на строительных площадках, что позволяет ликвидировать временной технологический разрыв, который необходим при устройстве свайных фундаментов для их вмерзания в окружающий мерзлый грунт.
Применение подобных фундаментов позволяет:
– уменьшить или полностью исключить сезонное протаивание подстилающих мерзлых грунтов основания при строительстве по первому принципу, то есть с сохранением мерзлого состояния грунтового основания;
– создать искусственное основание заданной прочности с меньшими деформативными свойствами;
– перераспределить напряжения, локализовав максимальные в пределах более прочного (по сравнению с нижележащим естественным основанием), искусственно созданного промежуточного слоя, используя известный в механике грунтов эффект снижения по глубине напряжений от дополнительного давления, передаваемого фундаментом;
– значительно уменьшить интенсивность криогенных процессов, вызывающих деформации и пучение грунта на глубине сезонного протаивания под подошвой промежуточного слоя;
– создать благоприятный влажностный режим для материала фундамента за счет повышения уровня поверхности промежуточного слоя по отношению к планировочной отметке территории и улучшения фильтрационных свойств материала.
Конструкция фундаментов-оболочек выполняется в сборно-монолитном и монолитном вариантах.
С целью изучения напряженно-деформированного состояния и прочности элементов систем «основание – фундамент» и «основание – фундамент – здание» Игарской научно-исследовательской мерзлотной станцией Института мерзлотоведения СО РАН были проведены многочисленные модельные (с использованием теории моделирования) и натурные испытания фрагментов фундамента. На основании этих работ разработаны оптимальные конструкции фундаментов-оболочек, а также осуществлено экспериментальное проектирование и строительство зданий различной этажности на площадках, имеющих различные мерзлотно-грунтовые условия, в городах Игарке и Норильске.
Рассмотрим опыт эксплуатации четырехэтажного здания каркасно-панельного административно-бытового комбината (АБК), возведенного на фундаменте-оболочке монолитной конструкции на сильнольдистых высокотемпературных грунтах в Норильском промышленном районе «Оганер», а также теплой стоянки-га-ража, построенной с использованием сборно-монолитной конструкции фундамента-оболочки в г. Игарке.
Здание АБК сначала предполагалось построить на буронабивных сваях-стойках в металлических обсадных трубах с их армированием и заполнением бетоном. По этому проекту общий расход труб составляет 224 т, диаметр свай – 600 мм, глубина их заложения – 20 м. Сваи объединяются монолитными ростверками, состоящими из рандбалок, оголовников под колонны. На них укладывается сборное перекрытие, под которым – продуваемое подполье высотой 2 м. Размер здания в плане – 48 x 18 м. Строительная площадка имеет сложный рельеф с резким перепадом абсолютных отметок, поэтому по проекту вертикальную планировку всей территории микрорайона предполагалось выполнить в виде насыпи высотой до четырех метров.
Учитывая необходимость значительного заглубления свайных фундаментов (до коренных пород), по разработкам и предложению Игарской НИМС Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, было принято решение построить здание АБК на альтернативном экспериментальном поверхностном пространственном фундаменте-оболочке, на что было получено разрешение Госстроя РФ.
Район застройки характеризуется сложными мерзлотно-грунтовыми условиями. Грунты на строительной площадке – это в основном льдогрунтовая толща, которая при оттаивании приобретает текучую консистенцию. Среднегодовая температура грунтов на территории «Оганер» – минус 0,5 – 5,0° С. Под многочисленными озерами развиты таликовые зоны, температура пород и подземных вод в которых составляет плюс 2 – 4° С.
Фундамент-оболочка выполнен в монолитном варианте из бетона класса В25, марки морозостойкости F300, водопроницаемостью W6. Верхняя отметка горизонтальной балки оболочки должна находиться на нижней проектной отметке оголовника под колонну каркаса. Толщина наклонных и горизонтальных элементов фундамента-оболочки принята 250 мм.
Фундамент-оболочка состоит из трех блоков с зазорами (деформационными швами) между ними. Сосредоточенные нагрузки от колонн здания не должны превышать 101 – 216 кН.
Перед началом работ на территории была произведена срезка бугров пучения, выкорчеваны деревья, засыпано небольшое озеро, оказавшееся на строительной площадке, сделана отсыпка скальным грунтом с уплотнением, чтобы «армировать» верхний торфяной слой. Грунтовое тело промежуточного слоя создавалось в два этапа:
– отсыпка до отметки естественной поверхности окружающей территории площадки;
– отсыпка и послойное уплотнение (виброкатком) промежуточного слоя на всей площадке строительства здания.
Средняя высота промежуточного слоя составила 4 м. Отсыпка его на первом этапе производилась скальной породой (размер фракций 30 – 50 см) с примесью суглинка, что позволило создать противофильтрационный слой. Эти работы велись при температурах от –8 до –18° С. На втором этапе использовался чистый скальный грунт (фракции 20 – 30 см), отсыпаемый при температуре 200 С. Выравнивающий слой (под фундамент) был выполнен щебнем, уплотненным «БЕЛАЗ»ом с грузом весом 400 кН.
После возведения промежуточного слоя приступили к созданию монолитной конструкции фундамента. Первоначально были проведены работы по созданию песчано-цементных вкладышей М25 под внутренние полости фундамента-оболочки, которые выполнялись в деревянной опалубке. Вкладыши являлись, в свою очередь, основанием для монтажа арматуры и бетонирования тела фундамента (рис. 1).
Бетонная смесь в конструкции плит фундамента укладывалась на всю их толщину без разрывов с последовательным направлением укладки от наружных краев температурного блока к середине (рис. 2). После полного завершения работ по устройству монолитной конструкции фундамента-оболочки и набора бетоном заданной прочности были произведены работы по бетонированию подколонников, которые устраивались на уширенной части горизонтальной балки фундамента. На рис. 3 показан общий вид железобетонного каркаса строящегося здания АБК в г. Норильске.
В течение нескольких лет эксплуатации здания велись наблюдения за температурным режимом основания и осадками фундамента. Анализ наблюдений показал, что произошло не только промерзание промежуточного слоя, но и понижение температуры грунтов ниже его подошвы. Верхняя граница вечной мерзлоты установилась на глубине 1,8 м. Средняя осадка фундамента-оболочки составила 2,1 см.
Для теплой стоянки-гаража в г. Игарке был запроектирован пространственный вентилируемый фундамент-оболочка в сочетании с вентиляционными каналами в сборно-монолитном варианте на промежуточном слое из гравийно-песчаной смеси (рис. 4). Высота промежуточного слоя (в зависимости от уклона площадки по длине здания) была переменной » от 0,5 до 1,5 м.
Здание гаража кирпичное, с поперечными несущими стенами высотой 6 м. Его размер в плане по осям – 18,0 х 10,4 м.
Цель эксперимента – проверить на реальном объекте устойчивость и надежность нового типа фундамента (при минимальной толщине промежуточного слоя) на высокотемпературных, сильнольдистых и сильнопучинистых грунтах, а также определить оптимальную систему его вентилирования.
Конструкция представляет собой фундамент-оболочку в сочетании с вентиляционными каналами (см. рис. 4). Шаг складок фундамента – 6 м. Внутренние их полости служат для вентиляции фундамента. Вентиляционные каналы выполнены лотками ЛК-15, которые опираются на горизонтальные плиты. Их арматура скреплена с арматурой сборных элементов фундамента-оболочки (рис. 5).
В продольном направлении здания все каналы объединены вентиляционными коллекторами. С фасада здания коллектор оборудован входными шахтами, расположенными по его торцам, а с противоположной стороны – выходными, количество которых соответствует числу каналов фундамента. Вентилирование полостей фундамента и каналов осуществляется круглый год.
Охлаждение грунтового основания и его прогрев происходят через внутренние полости складок фундамента и вентиляционные каналы, где температура воздуха значительно ниже, чем в здании и за его пределами.
Тепловой режим бетонного пола в здании мало сказывается на температурном режиме грунтового основания. Как свидетельствуют результаты проведенных наблюдений, теплообмен здания с грунтовым массивом происходит через вентилируемые полости фундамента с движущимся в них в зимний период холодным воздухом. Понижение температуры (по отношению к температуре наружного воздуха) в вертикальном сечении фундамента-оболочки в летне-осенний период объясняется отсутствием инсоляции под зданием. Кроме того, сказывается накопленный запас холода за предыдущий зимний период в грунтовом массиве основания, что подтверждается низкими температурами (около 00С в июне) в зоне контакта фундамента с промежуточным слоем. Глубина сезонного оттаивания под фундаментом составляла не более 1,3 м. Поднятие верхней границы мерзлого грунта под фундаментом объясняется вышеуказанными причинами.
Начиная с сентября, среднемесячная температура наружного воздуха понижается, а с октября она становится отрицательной. В результате этого понижается температура грунтов по вертикальному сечению и в основании фундамента.
Приведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что сочетание вентиляционных полостей фундамента с дополнительными вентиляционными каналами (при шаге складок 6 м) и наличие промежуточного слоя способствуют не только сохранению мерзлого состояния грунтов основания, но и ужесточению его температурного режима. Кроме того, незначительная мощность сезонного протаивания и промерзания сильнопучинистых грунтов основания, лежащих ниже промежуточного слоя, исключает проявление нормальных сил пучения на фундамент.
Изложенные выше материалы позволяют рекомендовать фундаменты-оболочки для экспериментального строительства зданий и сооружений в г. Якутске и других населенных пунктах Якутии.
Литература
1. А. С. 670683 (СССР). МКИ2 ЕО2D 27/02. Фундамент / Авторы Ю.М. Гончаров, Л.А. Трегубова, В.Л. По-лищук (СССР) – №2333596/29-33.
2. Гончаров Ю. М. Эффективные конструкции фундаментов на вечномерзлых грунтах. – Новосибирск: Наука, 1988.– 190 с.
Все линейные (балки, диафрагмы во внутренних и внешних полостях фундамента) и наклонные элементы бетонировались одновременно по всей длине. Технологические швы (зазоры) выполнялись в местах, предусмотренных схемой их расположения на участках бетонирования.
Первая страница
(c) 2001
