Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Такие грунты распространены на значительных территориях СССР, Канады, Аляски, Антарктиды и занимают около четвертой части всей суши планеты. В СССР они занимают около половины территории страны, преимущественно в северных и северо-восточных ее районах, где залегают сплошным массивом на глубину до 500 м, а местами и более. Южнее этих  районов  мощность толщи  вечномерзлых грунтов уменьшается, в отдельных местах появляются острова талых грунтов (талики). Встречаются мерзлые грунты с талыми прослойками, а также в виде отдельных островков или линз, окруженных талым грунтом.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяют на твердомерзлые, пластично-мерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлыми называют песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом. Такие грунты характеризуются относительно хрупким разрушением и практически несжимаемы под воздействием нагрузок от сооружений. Твердомерзлое состояние наступает при температуре ниже — 0,3 ° С для мелких и пылеватых песков, —0,6° С для супесей, — 1 ° С для суглинков и —1,5 ° С для глин. При более высокой температуре (но ниже 0  °С), когда в порах грунтов сохраняется еще много незамерзшей воды, мерзлые грунты обладают вязкопластичными свойствами и заметно деформируются под воздействием нагрузок от сооружений. Такие грунты называют пластично-мерзлыми. Если грунты с отрицательной температурой из-за малой влажности не сцементированы льдом, как, например, почти сухие пески и крупнообломочные грунты, их называют сыпучемерзлыми.

Обычно в мерзлых глинистых грунтах всегда содержится от 5 до 40% по массе незамерзшей воды — в зависимости от температуры грунта.

В процессе замерзания грунтов их влажность изменяется вследствие подсоса воды замерзающими слоями. Это явление, называемое миграцией влаги, приводит к переувлажнению верхних слоев и, как следствие, к пучению многих грунтов. Последнее объясняется особенностью взаимодействия с мелкими частицами грунта воды, которая при замерзании увеличивается в объеме до 9%.

Пучению подвержены глинистые, мелкие и пылеватые песчаные, а также крупнообломочные грунты, содержащие 10% и более по массе частиц размером менее 0,1 мм или свыше 3% частиц размером менее 0,02 мм. Увеличение объема таких водонасыщенных грунтов при их замерзании может достигать десятков процентов. Вследствие этого происходит выпучивание (поднятие) поверхности грунтов. Если свободному выпучиванию препятствуют фундаменты прорезающие сезоннопромерзающий слой и заделанные в нижележащую толщу грунтов, то на контакте промерзающего слоя с боковой поверхностью фундаментов возникают касательные силы морозного пучения, стремящиеся выдернуть (приподнять) фундаменты. По данным

отечественных и зарубежных исследований значения касательных сил морозного пучения в зависимости от свойств грунтов, степени их влажности и глубины промерзания изменяются от 60 до 200 кПа, а в отдельных случаях до 300 кПа. Меньшие значения касательных сил выпучивания соответствуют условиям постройки фундаментов зданий и сооружений на маловлажных грунтах, более высокие — в местах большого увлажнения грунтов.

Основные свойства мерзлых грунтов зависят главным образом от характера ледяных связей между минеральными частицами. Количество и температура замерзшей воды оказывают решающее влияние на прочность, деформируемость, теплоемкость и другие физико-механические характеристики мерзлых грунтов. Например, при повышении температуры от —4 до —0,3 ° С расчетные сопротивления мерзлых грунтов разных видов уменьшаются в 2—5 раз. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты вследствие их малой влажности почти не меняют показателей механических свойств при повышении отрицательной температуры вплоть до перехода к положительной.


Температура вечномерзлых грунтов в основаниях может повышаться вследствие изменения климатических условий, сезонных колебаний температуры воздуха, теплового влияния фундаментов, нарушения природных условий в период производства работ. Повышение температуры вечномерзлых грунтов, связанное с естественными изменениями климата и геологическими процессами, происходит весьма медленно и поэтому при проектировании и строительстве фундаментов не учитывается. Сезонные колебания температуры воздуха оказывают существенное влияние на ежегодные изменения температуры вечномерзлых грунтов примерно до глубины 10 м. На этой глубине и ниже температура мерзлых грунтов почти не изменяется в течение всего года, поэтому ее принимают за среднегодовую и определяют расчетом по данным инженерных изысканий (с учетом теплового влияния фундаментов построенного сооружения на температуру вечномерзлых грунтов). Наиболее значительное повышение температуры вечномерзлых грунтов и связанное с ним увеличение глубины их оттаивания происходит в местах повреждения или полного удаления растительного покрова, особенно в местах, где в естественных условиях мерзлые грунты залегали неглубоко от поверхности, например на маревых участках.

Если в результате значительного повышения температуры происходит увеличение глубины сезонного оттаивания сильнольдистых вечномерзлых грунтов или включений подземного льда по сравнению со средней многолетней, то образуются провальные впадины рельефа различной формы, большей частью заполненные водой, называемые термокарстом.

В районах залегания вечномерзлых грунтов нередко встречаются подземные воды. которые подразделяют на следующие виды: надмерзлотные, находящиеся в толще немерзлого грунта, расположенного над поверхностью вечномерзлых грунтов; межмерзлотные, движущиеся по талым слоям в толще вечномерзлых грунтов; подмерзлотные, находящиеся ниже толщи таких грунтов. В местах уменьшения живого сечения потока надмерзлотных или поверхностных вод при сезонном их промерзании в ряде случаев образуются наледи.

По материалам сайта: http://www.stroitelstvo-new.ru