формації будівель і споруд, в основі котрих залягають засолені ґрунти, можуть виникати як під час спорудження, так і в період експлуатації.

Умова розрахунку основ за деформаціями вважається виконаною, якщо загальна деформація від зовнішнього навантаження, а також за рахунок суфо-

Якщо захист основи від тривалого зволоження забезпечено і вилуговування солей неможливе, то осідання основи визначають відповідно до правил розрахунку осідання зволоженої незасоленої основи. Розрахунковий опір R у цьому випадку обчислюють за формулою (12.1) з урахуванням показників міцності (φ та с), які одержують у результаті випробовувань зразків засоленого ґрунту.

Якщо тривале зволоження та вилуговування солей можливі, то показники міцності визначають за зразками водонасиченого ґрунту після вилуговування. При влаштуванні ґрунтових подушок показники міцності визначають за результатами випробовувань зразків ущільненого водонасиченого ґрунту, з якого зроблено подушку.

16.7. ФУНДАМЕНТИ В УМОВАХ СЕЗОННОЇ І ВІЧНОЇ МЕРЗЛОТИ

453

Фундаменти в умовах сезонної мерзлоти. Глинисті ґрунти різного похо-

дження, розміщені близько до поверхні, іноді мають підвищену вологість. У зимовий час при проморожуванні такі ґрунти збільшуються в об’ємі. Виникають деформації, які завдають шкоди будівлям, спорудам, дорогам тощо. Це явище зветься морозним випинанням. Його необхідно враховувати при проектуванні і будівництві.

Розглянемо коротко основні явища, котрі відбуваються в ґрунті під час його охолодження до температури промерзання. Спочатку, перед утворенням льоду, відбувається випаровування вологи з поверхні ґрунту й деяка усадка скелета поряд з об’ємним збільшенням кількості води та повітря в порах. Далі об’єм води зростає, вона поступово переходить у твердий стан, починається процес адсорбції води від ґрунту з позитивною температурою до зони проморожування. Дальший вплив мінусової температури на поверхневі шари глинистого ґрунту призводить до накопичення в ньому води у вигляді льоду. Первісний об’єм води в ґрунті може збільшитись на 60% і більше (рис. 16.9). Наявність уключень льоду руйнує структуру ґрунту. На дорозі це викликає також руйнування дорожнього одягу. З’являються горби, які ускладнюють рух транспорту. При розтаванні ґрунту на місці горбів виникають вибоїни.

Узимку глибина промерзання ґрунту в різних місцях неоднакова і залежить від кліматичних умов, а також від типу ґрунту. У таблиці 16.10 наведено нормативну глибину промерзання для деяких міст України. З даних таблиці видно, що піщані ґрунти, завдяки відкритості пор, промерзають на більшу глибину, ніж глинисті, особливо суглинки та глини, в яких більшість пор закриті.

Таблиця 16.10. Нормативна глибина сезонного промерзання, м

Спостереження за плином вологи в промерзаючому ґрунті показали, що найінтенсивніша міграція води до зони промерзання виникає в ґрунтах із вели-

454

ким вмістом пилуватих частинок розміром від 0,05 до 0,005 мм. Такими ґрунтами є супіски, суглинки, пилуваті піски.

Досліди показали, що випинання глинистого ґрунту можливе, якщо вологість його перевищує початкову вологість, яку для глинистого ґрунту можна встановити за формулами:

де W і WP – відповідно вологість ґрунту та його вологість на межі розкочування; ρs, ρd, ρw – щільність відповідно частинок, сухого ґрунту і густина води, т/м3.

Спостереження показали, що поряд з опалюваними будівлями глибина промерзання ґрунту менша, ніж на відкритому місці. Це вплив тепла, яке випромінюють приміщення, вводів інженерних мереж, відбиття сонячного випромінювання від південних стінок будівель тощо. Найменше промерзання відбувається поблизу середньої частини поздовжніх стін. А найбільше – поряд із кутом будинку, повернутого до панівного взимку напряму вітру.

Поблизу неопалюваних будинків глибина промерзання завжди більша, ніж на незабудованій території. Тут виникають такі фактори, як неможливість опадів на забудовану ділянку, а також проникнення сонячного випромінювання. Деякий вплив має також заміна менш теплопровідного ґрунту на більш теплопровідні (бетон фундаменту).

Збільшення об’єму сезонно-мерзлого ґрунту супроводжується розвитком тиску в зоні промерзання, відбувається складна взаємодія ґрунту і фундаменту. Ґрунт міцно змерзається з бічною поверхнею фундаменту й тоді внаслідок випинання підіймає фундамент угору, переборюючи опір ваги від надземних конструкцій та фундаменту. Такі деформації можна часто бачити на будівлях, які зведено на ділянках із високим рівнем ґрунтової води. Порівняно легкі неопалювані прибудови до житлових будинків (веранди, тамбури) майже завжди відокремлені розколинами від стін опалюваної частини.

Іноді кажуть, що ці несприятливі деформації неможливі, якщо глибина закладання фундаменту більша, ніж глибина промерзання. Найчастіше це так, але відомо, що досить легкі, наприклад, великопанельні будинки після зведення 1-2 поверхів узимку піднімалися вгору, хоч під підошвою промерзання не було. Спрацювало змерзання бічної поверхні фундаменту з ґрунтом. Небезпека такої деформації полягає, з одного боку, в тому, що випинання в різних місцях будівлі буває неоднаковим. З другого – після відтавання перезволоженого ґрунту, здатного до випинання, збільшується осідання фундаменту.

Усе сказане з цього приводу слід ураховувати, коли маємо справу з так званим довгобудом. Тобто коли термін будівництва з якихсь причин розтягується на роки.

Стійкість фундаменту до дії дотичних сил випинання перевіряють за формулою:

де τsw – розрахункова питома дотична сила випинання, МПа, (за табл. 16.11); A –

455

площа бічної поверхні фундаменту в зоні розрахункової глибини промерзання, м2; N – постійне навантаження, що діє на фундамент разом із вагою фундаменту і ґрунту на його уступах, МН; γc – коефіцієнт умов роботи, γc=1; γg – коефіцієнт надійності для ґрунту, γg=1,1; Qf – розрахункове значення сил тертя поверхні фундаменту по ґрунту, МПа:

тут ffi – розрахунковий опір талого ґрунту зрушенню по бічній поверхні в і-му шарі: для глинистого ґрунту ffi=0,02 МПа, а для піску ffi=0,03 МПа; Afi – площа вертикальної поверхні зрушення в і-му шарі.

Улаштування фундаментів на ґрунтах, здатних до випинання, супроводжується такими заходами:

Фундаменти в умовах вічномерзлих ґрунтів. Вічномерзлими ґрунтами вважають такі, які перебувають у мерзлому стані три і більше років. Потужність шару вічної мерзлоти коливається в широких межах – від кількох метрів до кількох сотень метрів. Територію, де поширена вічна мерзлота, можна поді-

456

лити на три зони: суцільної мерзлоти, з ділянками талого ґрунту, з ділянками вічної мерзлоти. Цікаво, що в долинах великих річок вічної мерзлоти навіть на високих широтах немає або вона розташована на значній глибині.

На думку більшості учених вічна мерзлота є, з одного боку, наслідком минулого холодного періоду на Землі, а з другого – результатом сучасного клімату з довгою та суворою зимою, негативною середньорічною температурою, що сприяє накопиченню і зберіганню холоду в товщі ґрунту.

Улітку верхній шар мерзлого ґрунту розморожується, а взимку знову замерзає. Це так званий діяльний шар. Товщина його, залежно від географічної широти, коливається від 0,2 до 4 м. Виділяють два типи вічної мерзлоти: злиту з сезонною і незлиту.

Підземні води в районах вічної мерзлоти мають своєрідний режим, зумовлений особливостями їх розміщення. М. І. Товстихін виділив надмерзлотні, міжмерзлотні й підмерзлотні води.

Можливі три стани вічномерзлого ґрунту, які розрізняються за реологічними властивостями та ступенями цементації мінеральних частинок льодом. Це твердомерзлі, пластичномерзлі і сипучомерзлі. Твердомерзлі – це дуже міцні породи, в яких вода є лише у вигляді льоду, що цементує мінеральні частинки. Тимчасовий опір стисненню твердомерзлих глин становить 2-5 МПа, а твердомерзлих пісків – навіть 7-15 МПа (коефіцієнт стисливості m0 <0,01 МПа-1). Тве-

рдомерзлий стан ґрунту можливий, коли температура його нижча за такі значення: для великоуламкового ґрунту – 0°С; піску крупного та середньої крупності – 0,1°С; піску дрібного й пилуватого – 0,3°С; супіску – 0,6°С; суглинку – 1°С; глини – 1,5°С. Основи таких ґрунтів розраховують за міцністю. Пластичномерзлі ґрунти – це ґрунти, температура яких знаходиться в межах від початку промерзання до тих величин, які є граничними для твердомерзлого ґрунту. Частина води в них є рідиною. Ґрунт має в’язкі властивості ( m≥0,01 МПа-1), тому основи з пластичномерзлого ґрунту розраховують як за міцністю, так і за деформаціями. Сипучомерзлий ґрунт – це здебільшого пісок, загальна вологість якого дуже мала (W≤0,03), а мінеральні частинки такого ґрунту не зцементовані льодом. Основу з таких ґрунтів розраховують як звичайну.

Для вічномерзлих ґрунтів визначають своєрідні показники, які відрізняються від тих, що характеризують талий ґрунт. Так, у зв’язку з різними станами води в ґрунті та формою включень льоду встановлюють загальну (сумарну) вологість:

де Wi, Wic, Ww – вологість відповідно мерзлого ґрунту за рахунок льодових включень, порової води у мерзлому стані, талої води.

Сумарна льодистість

457

де ρw – щільність води, т/м3; erf – коефіцієнт пористості мерзлого ґрунту. Будова вічномерзлого ґрунту характеризується масивною, шаруватою або

сітчастою текстурою. Вони значною мірою представлені мулами, супісками, суглинками й глинами, іноді торфами і заторфованими ґрунтами. Після відтавання такі ґрунти перетворюються на розріджену масу. Тимчасовий опір стиснення такої маси значно падає. Це стосується нескельних ґрунтів. Щодо скельних та сипучомерзлих ґрунтів, то вони після відтавання не змінюють своїх властивостей.

Для визначення характеристик деформативності вічномерзлого ґрунту при відтаванні його випробовують у компресійному приладі, який сконструйовано так, щоб стиснення можна було вести й при мінусовій температурі. Спочатку зразок у мерзлому стані завантажують і після стабілізації деформації фіксують висоту зразка hf. Далі штамп підігрівають до повного відтавання зразка і встановлюють висоту талого ґрунту hth. Використовуючи ці відомості, можна встановити коефіцієнт відносної просадочності мерзлого ґрунту при відтаванні

При промерзанні та відтаванні діяльного шару виникають специфічні явища, які впливають на умови будівництва об’єктів. До таких явищ можна віднести морозне випинання ґрунту, утворення ґрунтових і річкових полоїв, льодових горбів, течію ґрунту й т. ін.

Морозне випинання, як і в сезонно -мерзлому ґрунті, притаманне глинистим породам, які дуже зволожені. Про розвиток цього явища йшлося вище.

Полої утворюються в місцях, де підземна вода, найчастіше міжмерзлотна, має напірний характер. У слабкому місці шар ґрунту проривається і вода витікає на поверхню, де швидко промерзає, утворюючи крижані поля. Часто підземні води прориваються в бік підвалів будівель та споруд або в підземні комунікації. Річкові полої виникають у разі прориву води крізь кригу в руслі. Це частіше трапляється під мостами, де лід тонший. Наростання висоти льоду може порушити конструкцію мосту. Висота річкових полоїв досягає 4 м.

Льодові горби (булгуняхи), або гідролаколіти, утворюються якщо вода, що рухається по щілинах у ґрунті, не може пробитися на поверхню й, замерзаючи, підіймає шари ґрунту. Іноді розміри у перерізі таких горбів досягають 80 м, а висота 10...30 м. Ознакою льодового походження горба є наявність так званого “п’яного лісу”. У періоди потепління лід у бугрі розтає і на його місці утворюється порожнина. З часом склепіння порожнини провалюється й виникає вирва. Це явище має назву термокарст.

Течія ґрунту (соліфлюкція) виявляється у вигляді сповзання ґрунту після відтавання вниз по схилах, які складено породами, здатними до випинання або з великою вологістю. Внаслідок цього на схилах залишається тільки каміння.

Залежно від конструктивних та технологічних особливостей будівель і споруд, інженерно-геологічних умов та можливості змінювання властивостей

458

основ для фундаментів будівель, приймають один із двох принципів будівництва на вічномерзлих ґрунтах. Перший принцип, полягає в тому, що проектування й будівництво будівель та споруд ведеться за умови, що ґрунти основи залишаються мерзлими як під час будівництва, так і в процесі експлуатації. За другим принципом вважають, що ґрунти основи обов’язково набудуть талого стану в період будівництва чи потім, у процесі експлуатації будівель та споруд. На кожній будівельній ділянці можливе використання лише одного принципу будівництва.

Будівництво за першим принципом проводиться з урахуванням таких загальних рекомендацій:

-улаштування фундаментів, які б зменшували теплопередачу в ґрунт; здебільшого такими фундаментами є окремі або пальові;

-обпирання печей і труб на окремі фундаменти з провітрюванням простору між ними;

-використання для влаштування фундаментів малотеплопровідних мате-

ріалів;

-прокладання в тілі фундаментів теплоізолюючих матеріалів, а під фундаментами – настилання дерев’яних брусів або ростверків;

-улаштування водонепроникних підлог у будівлях і спорудах із мокрим технологічним процесом;

-захист основи від поверхневої води;

-заглиблення фундаментів нижче від розрахункової глибини сезонного відтавання, визначеної з урахуванням теплового впливу будівлі, м.

У таблиці 16.12 наведено рекомендації щодо можливих варіантів конструктивних рішень.

Таким чином, перший принцип будівництва найдоцільніше використовувати при спорудженні опалюваних та неопалюваних будівель і споруд, в основі яких залягають твердомерзлі піщані й глинисті ґрунти. Перевагу слід віддавати окремим фундаментам неглибокого закладання та пальовим.

Розрахунок фундаментів за першим принципом уключає визначення несучої здатності мерзлої основи:

де γc – коефіцієнт умов роботи основи залежно від конструкції фундаменту, γc=1...1,2; n – кількість шарів вічномерзлого ґрунту; R – розрахунковий опір мерзлого ґрунту під підошвою фундаменту залежно від температури мерзлого

ґрунту, МПа; A – площа підошви фундаменту або перерізу палі, м2; Rcon.i – розрахунковий опір мерзлого ґрунту по поверхні замерзання залежно від темпера-

тури і-го шару вічномерзлого ґрунту, МПа; Acon.i – площа поверхні змерзання і- го шару вічномерзлого ґрунту з бічною поверхнею палі або фундаменту, м2.

Таблиця 16.12. Варіанти збереження вічномерзлого ґрунту в основі будівель

459

Зведення будівель на штучних насипах; теплоізоляція поверхні ґрунту при невеликій ширині будівель

Улаштування вентильованого підпідлогового простору з викорис-

танням пальових фундаментів, високого ростверку та розрізних

рандбалок; улаштування продухів, вимощення схилів із водовідве- денням під будовою

Улаштування неопалюваних приміщень у перших поверхах будівель, одинарне скління вікон; застосування тонких стінок без утеплювача

Улаштування охолоджуючих труб або вентиляційних каналів під підлогою для будівель із великим навантаженням на підлогу

Улаштування проморожувальних колонок із використанням газу

(аміак) або рідини (гас) для забезпечення температурного режиму влітку (використання закону конвекції легкокиплячої рідини)

Формулою (16.31) користуються для визначення несучої здатності як основи окремого фундаменту, так і палі.

Розрахунок на випинання виконують за формулою (16.26), де розрахункову силу Q, яка утримує фундамент у ґрунті через замерзання його з вічномерзлим ґрунтом, визначають за формулою

Другий принцип будівництва найчастіше використовують при неглибокому заляганні скельного ґрунту або коли в основі фундаментів розміщений пластично-мерзлий ґрунт, а також якщо деформація основи при відтаванні не перевищує гранично допустимих величин. Дуже важливо при реалізації цього принципу забезпечити умови для рівномірного відтавання ґрунту основи.

Глибину закладання фундаменту для будівель, споруджуваних за другим принципом, приймають як для талої основи залежно від розрахункової глибини сезонного промерзання, рівня ґрунтової води, типу ґрунту тощо.

Основи, використовувані за другим принципом, розраховують відповідно до норм для талого ґрунту з урахуванням глибини відтавання. Останню визначають за теплофізичними розрахунками.

Рекомендації до можливих заходів, які здійснюють при будівництві об’єктів за другим принципом, такі:

460