Маркизов - Здания на подсыпках из дренирующих материалов

Л.П. МАРКИЗОВ
ЗДАНИЯ НА ПОДСЫПКАХ ИЗ ДРЕНИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ 
ЛЕНИНГРАД СТРОЙИЗДАТ ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1991 

ВВЕДЕНИЕ

Стратегия строительного комплекса Советского Союза  направлена на становление и развитие рыночных отношений. В условиях рыночной экономики в числе первостепенных задач большое значение имеют ускорение научно-технического прогресса,  кардинальное повышение эффективности производства, сокращение  продолжительности строительного процесса, проектирование менее  трудоемких конструктивных элементов. В районах распространения вечномерзлых грунтов,  занимающих более половины территории Советского Союза, весьма трудоемкими и дорогостоящими являются работы по устройству фундаментов под здания и сооружения, достигающие 15—20% и более стоимости всего объекта.

Вечномерзлые грунты и продолжительность периода, когда грунты находятся в сезонномерзлом состоянии, обусловливают специфику строительства. Одной из особенностей строительства в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов является сложность разработки мерзлых грунтов и  специфические особенности сваебойных работ, связанные со  значительными затратами материальных и трудовых ресурсов. В этих условиях представляется целесообразным использование таких способов фундаментостроения, при которых эти виды работ  значительно сокращаются или заменяются другими, требующими  меньших ресурсов.

Одним из таких способов является устройство фундаментов зданий и сооружений на подсыпках из дренирующих материалов без заглубления их в естественный грунт. При использовании этого способа подсыпка возводится на предварительно  подготовленной поверхности площадки, после чего на подсыпке или в ее массиве устраивается фундамент здания (рис. I), а на нем надфундаментные конструкции.

Начало строительства первых зданий на подсыпках относится к 30-м годам, когда два таких здания были возведены в  Забайкалье. С 1937 г. здания на подсыпках возводятся в Воркуте и прилегающих поселках, где общее количество их за почти 50-летний период превысило 1.5 млн. м обшей площади. Часть зданий, носящих как временный, так и постоянный характер,  эксплуатируется и до сих пор.

В последние годы строительство на подсыпках ведется в  Якутске, Норильске, районе Комсомольска-на-Амуре и в других  регионах. В качестве материала для подсыпок используются шлак, гравий, гравийно-песчаная природная смесь, горелая порода  шахтных терриконов и другие местные материалы.

До середины 60-х годов строительство на подсыпках велось без достаточных теоретических обоснований, причем  конструктивные параметры принимались и изменялись эмпирически. В 1967 г. автор обобщил многолетний опыт возведения зданий и сооружений на подсыпках, разработав Временные технические рекомендации на возведение зданий на подсыпках в условиях Воркуты.

Обследование большого количества зданий на подсыпках показало, что в тех случаях, когда они спроектированы, построены и эксплуатируются с учетом мерзлотно-грунтовых условий данного региона, их техническое состояние удовлетворительное, там же, где принцип использования грунтов, подстилающих подсыпку, был выбран неправильно, здания и сооружения во многих случаях подвергались различной степени деформациям.

В 1970 г. ВТР-67 на Научно-техническом совете б. Госстроя РСФСР секцией строительства фундаментов в условиях сурового климата и на вечномерзлых грунтах были рассмотрены и  рекомендованы к использованию организациям, ведущим строительство на подсыпках.

В 1971 г. В. Г. Тишиным были разработаны Рекомендации по проектированию и устройству подсыпок для возведения зданий без заглубления фундаментов в грунт в условиях Севера (Р-95—71), основанные на результатах экспериментальных исследований в натурных условиях пучинистых грунтов г. Ухты Коми ССР и  прилегающих трасс нефте- и газопроводов, где отмечается глубокое  сезонное промерзание, но отсутствуют вечномерзлые грунты. Р-95—71 утверждены Миннефтегазстроем СССР в качестве ведомственной инструкции по проектированию и строительству  малоэтажных притрассовых зданий на подсыпках в условиях Севера при несущей способности естественного грунта 0,5 МП а |2).По заданию б. Госстроя РСФСР Северное отделение ВНИИ оснований и подземных сооружений имени Н. М. Герсеванова обобщило имеющийся фактический и теоретический материал по строительству зданий на подсыпках и разработало Рекомендации  по проектированию и устройству зданий на подсыпках в районах распространения всч1Г0мсрзлых грунтов, изданные в 1977 г. Рекомендации разработаны коллективом авторов в составе кандидатов технических наук Л. Н. Хрусталева, Л. П. Маркизова, А. Л. Миилича, инженеров Ю. С. Миреибурга и Ю. А. Атександрова под руководством д-ра техн. наук проф. Г. В. Порхаева; использованы данные И. И. Романенко, В. Г. Тищина и Ю. Я. Велли. В основу Рекомендаций положены требования СНиП 11-18—76 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования» и ВТР-67 «Временные технические рекомендации на возведение зданий Но подсыпках в условиях Воркуты», а также опыт  строительства и эксплуатации зданий на подсыпках в ряде районов распространения вечномерзлых грунтов (Якутск, Забайкалье и др.).

Способ устройства фундаментов на наземных подсыпках  является перспективным и эффективным на строительстве  малоэтажных зданий не только в районах распространения вечной мерзлоты или в суровых климатических условиях, где отмечается глубокое сезонное промерзание поверхностного слоя грунта, но и в других регионах, где имеются пригодные для этих целей местные  дренирующие материалы. Этот способ с успехом может использоваться при пионерном строительстве в малоосвоенных районах для  возведения временных комплексов в начальном периоде освоения территорий, подлежащих застройке. На таких основаниях могут устраиваться фундаменты производственных, жилых, соцкультбытовых объектов. Вместе с тем, как показал опыт, фундаменты на подсыпках могут возводиться и под здания с продолжительным сроком эксплуатации, устраиваемые как из индустриальных  конструкций, так и из «традиционных» материалов (кирпича, бруса, бревен). Накопленный опыт может быть полезен строителям,  работающим на возведении предприятий, входящих в формируемые новые территориально-производственные комплексы и  промышленные узлы.

Глава I

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОРГАНИЗАЦИЮ И ВЫПОЛНЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ В СЕВЕРНОЙ ЗОНЕ

§ 1. Климатические и мерзлотно-грунтовые условия Воркутинский район Европейского Севера СССР входит в южную зону распространения вечномерзлых горных пород и имеет весьма сложные мерзлотно-грунтовые условия. Толща мерзлых пород имеет широкое распространение, достигая мощности 130 м. В ряде случаев эта толща характеризуется относительно  небольшой охлажденностью (до —2 °С на глубине 7—10 м) и высокой льдистостью (более подробно см. 6]. Район Воркуты с пластично- мерзлыми грунтами существенно отличается от других районов распространения вечномерзлых грунтов. Здесь применяются оба принципа использования грунтов, предусмотренные СНиП 2.02.04—88. На отдельных площадках, где залегают талые грунты, строительство ведется по СНиП 2.02.01—83.

Рассмотрим специфику строительства в условиях  распространения вечномерзлых грунтов и периода, когда грунты в сезонномерзлом состоянии. Одной из особенностей строительства в воркутинском районе является сложность разработки мерзлых  грунтов, которая связана со значительными затратами материальных и трудовых ресурсов.

В Воркуте и на прилегающей территории суровый климат. Город расположен за Полярным кругом между 67° 10' и 68''00' северной широты и 63°20'—65°00' восточной долготы от Гринвича, в юго-восточной части Большеземельской тундры. Здесь в течение продолжительного периода года преобладают отрицательные  температуры. Многолетняя среднегодовая температура здесь — 5,7''С (г. Воркута), —7,5 °С (пос. Хальмер-Ю). Суровая зима с ветрами и пургами, 3—4-иедельной полярной ночью длится 8 месяцев — с октября по май. С 12 декабря по 5 января солнце в Воркуте вообще не восходит. В конце августа начинается похолодание, а к 1 октября зима сковывает льдом реки. Ветры зимой  преобладают южные и юго-западные, скорость ветра достигает 40 м/с; среднегодовая скорость ветра 5 м/с в Воркуте, 5,3 м/с в Хальмер-Ю. На возвышенностях слой снега составляет 10—50 см, а на  подветренных склонах, в долинах рек, оврагах и лощинах пласты снега достигают нескольких метров. Среднегодовое количество осадков равняется примерно 600 мм. Зимой температура воздуха доходит до —53.2 °С, летом положительная температура воздуха достигает +31,1 °С.

Наименьшая продолжительность безморозного периода наблюдалась в 1946 г.— 17 дней (с 28 июля по 15 августа), наибольшая — в 1939 г.— 87 дней (с 6 июня по 2 ноября). 

Продолжительность периода с положительной среднемесячной температурой воздуха длилась 122 дня (июнь -сентябрь), период времени между средней датой схода снежного покрова и средней датой его появления — 123 дня (с 30 мая по 2 октября), продолжительность периода с положительной температурой поверхностного слоя  грунта — 120 дней (июнь—сентябрь) [7]. Ухтинский район Коми ССР характеризуется суровыми  природно-климатическими условиями и континентальностью климата и приравнен к Крайнему Северу. Лето здесь теплое и влажное, зима холодная и многоснежная. Переход температур (среднесуточных) через О °С: весной— 18 апреля, осенью— II октября.

Количество дней с положительной температурой — 154, с  отрицательной — 211. Зимой возможны понижения температуры воздуха до —51 °С. максимальная летняя температура может достигать + 35 "С.

В течение года преобладают западные, юго-западные и южные ветры, суммарно составляющие около 50%. Теплый период года отличается повторяемостью северных ветров (до 20%). Число штилей в среднем составляет 13%. Средняя годовая скорость ветра в районе изменяется от 2,5 до 4 м/с, в зимний период  достигает 6 м/с. Наибольшие скорости ветра в отдельные дни  наблюдались до 20—24 м/с. С усилением ветра зимой бывают метели. Среднегодовая температура воздуха +1,2°С.

Вечномерзлые грунты в ухтинском районе отсутствуют, а  сезонное промерзание грунтов в зимнее время — глубокое, например, средняя глубина промерзания суглинистого грунта 190 см,  влажного песчаного — 230 см. Снежный покров устойчив: средняя высота его 76 см, максимальная — до 1,2 м. Снежный покров появляется в середине октября — начале ноября и держится до конца апреля — начала мая.

В этих природно-климатических условиях грунты подвержены морозному пучению, которое наносит большой ущерб народному хозяйству. При возведении малоэтажных зданий влияние этого свойства промерзающих грунтов необходимо учитывать и  разрабатывать противопучинные мероприятия.

Усинск и прилегающий к нему район расположены в южной части Большеземельской тундры на правом берегу реки Усы, у впадения в нее реки Колвы. К усинскому району примыкает Возейская нефтяная структура. Климат, вследствие значительной удаленности от Атлантического океана, характеризуется суровостью и континентальностью. Поданным метеостанции Усть-Уса среднегодовая температура, рассчитанная за 40 лет наблюдений, равна — 3,2°С. Минимум среднегодовой температуры —5,5°С, максимум —0,7°С. Ход температуры воздуха по месяцам следующий: в январе — 18,1 °С, в апреле —4, Г, в мае + 1,4°, в июне +9.6', в июле +13,8°, в октябре —1,9°, в декабре — 15,9°С.

Среднегодовое количество осадков велико и составляет 610 мм, большая часть выпадает в летний период F2,8% от общего  количества). Большая величина стока определяет повышенную влажность территории. Средняя за зиму толщина снежного покрова на защищенных лесом участках 90 см, на открытых участках 53 см. Благодаря снежному покрову температура поверхности грунта выше среднегодовой температуры воздуха на 3—4 °С.

В гидрогеологическом отношении территория характеризуется близким залеганием к поверхности зеркала грунтовых вод — от 0,2 до 2,4 м. Мощность водоносного горизонта 12—17 м. Высокое залегание грунтовых вод, большое количество осадков при  сравнительно малом испарении и равнинный характер территории  обусловливают сильную заболоченность се (до 40% площади) и преобладание болотных грунтов и илов. Мощность торфяников от 0,3 до 4 м, илов — до 1 м.

Промерзание грунтов в этом районе начинается в конце  октября — начале ноября, полное оттаивание происходит в середине мая. Наибольшая глубина промерзания обычно наблюдается в феврале—марте и достигает в естественных условиях 1,2—2 м.

Нормативная глубина сезонного промерзания глинистых и  суглинистых грунтов составляет 2,6 м, супесей и песков —3,1, торфов — 0,7 м.

Несмотря на довольно низкую среднегодовую температуру воздуха, вечномерзлые грунты в Усинском и Возейском районах отсутствуют. Описанные особенности отражаются на специфике проектных решений зданий и сооружений и на организации строительных процессов.

Основными специфическими условиями строительства в  Норильском регионе являются температура вечномерзлых грунтов в диапазоне от —0,1 до —5°С. толщина сезоннооттаивающего слоя грунта (в зависимости От его структуры) от 0,4 до З м и  значительная просадочность льдонасыщенных вечномерзлых грунтов в период оттаивания. Вечномерзлые грунты имеют сплошное и островное залегание: последнее чаще всего встречается вдоль южной границы зоны вечной мерзлоты. Мощность слоя вечномерзлых грунтов в зависимости от климатогеографических и геотермических условий в осваиваемых районах Норильска изменяется в пределах от 10 до 400 м. Среди вечномерзлых грунтов особые сложности для  строительства представляют сильнольдистые, засоленные, а также  грунты с примесью растительных остатков, различаемые по степени заторфованности.

Коренные породы залегают на глубине от 0 до 80 м и представлены габбро-диабазами, долеритами, порфиритами, мергелями, известняками, гипсами, сланцами, доломитами, песчаниками, агриллитами и алевролитами. Структура и глубина залегания этих пород часто различаются даже в пределах основания одного и того же сооружения. Не менее разнообразны по своему составу и криогенному строению четвертичные отложения, представленные здесь тонкодисперсными супесями и суглинками со слоистой и сетчатой текстурой, мелкозернистыми песками и галечниками массивной текстуры, глинами и торфами. Льдонасыщенность грунтов часто достигает 40%. Осадка этих пород при оттаивании без нагрузки колеблется в пределах от 5 до 40%.

Производство строительных работ в суровых климатических условиях и при наличии вечномерзлых грунтов связано со значительными трудностями, в особенности на площадках, т. е. по существу на болотах.

В условиях Норильска применяются различные проектные  решения, касающиеся конструкции фундаментов, выполняемых в  контакте с вечномерзлыми грунтами, методов выдерживания бетона в контакте с вечной мерзлотой, устройств буронабивных. трубобетонных свай, свай-стоек и др. Вместе с тем разработана конструкция зданий, в которых основанием фундаментов является вентилируемая подсыпка, позволяющая также сохранить мерзлое состояние грунтов под малоэтажными зданиями.

§ 2. Строительные свойства приповерхностного слоя грунта

Рассмотрим кратко характеристику покровных грунтов  территории г. Воркуты и более подробно строительные свойства  приповерхностного слоя на примерах тех площадок, где  проектировались и возводились здания на подсыпках.

Верхняя часть геологического разреза представлена рыхлыми наносами четвертичного возраста. Мощность их неодинакова и на некоторых участках достигает 120—130 м. По генетическому признаку тол1Г1а четвертичных отложений подразделяется на  четыре основных типа (сверху вниз): покровно-делювиальные образования, отложения верхней морены, межледниковые отложения, отложения нижней морены; последняя залегает на скальных породах. На заболоченных участках имеются современные озерно-болотные отложения и торф.

Покровно-делювиальные отложения представлены главным  образом суглинками с редкими включениями мелкой гальки и  гравия, количество которых возрастает с глубиной. Мощность  покровных делювиальных образований чаше всего составляет от 0.5 до 1 м, на склонах — не более 3 м, у подошвы склонов — 5 м.

Покровные суглинки характеризуются высоким содержанием пылеватых частиц — в среднем от 45 до 55 % и значительной влажностью — от 15 до 39 %, чаще от 25 до 30 %.

Грунты верхней морены, представлены в основном суглинками и супесями, часто пылеватыми. Содержание пылеватых фракций в отложениях верхней морены меньше, чем в покровных  суглинках,— от 35 до 45 %, гальки и гравия — до 5—10 %. Влажность их близка к пределу текучести, но зависит от того, в каком  состоянии (мерзлом или талом) они находятся. При наличии ледяных прослойков в мерзлых грунтах их суммарная влажность больше, чем влажность талых грунтов. После оттаивания эти грунты  переходят в текучее состояние. В переходной зоне верхней морены количество пылеватых частиц составляет всего лишь 18—27 %.

Нижнеморенные отложения представлены суглинками и  супесями с включениями гравия, гальки и валунов. Эти грунты чаше всего находятся в вечномерзлом состоянии. Их льдистость в  верхней части слоя в среднем равна 25—31 %, с глубиной она  уменьшается.

Флювиогляциальные пески и супеси в талом состоянии обычно водонасыщены, так как благодаря хорошей фильтрационной  способности они часто служат путями циркуляции грунтовых и  подземных вод. В мерзлом состоянии они содержат небольшое  количество ледяных прослойков и поэтому после оттаивания мало уплотняются.

Озерно-болотные отложения состоят преимущественно из пылеватых суглинков и глин, реже из супесей. В них встречаются мощные (до 20—40 см и более) ледяные прослойки и линзы льда. После оттаивания эти отложения обладают малой несущей способностью.

Все грунты воркутинского района (в настоящее время талые) в течение четвертичного периода подвергались неоднократному промерзанию и протаиванию. Грунты после оттаивания в течение некоторого времени имеют повышенную пористость. Эта  особенность талых грунтов объясняется тем, что процесс уплотнения под влиянием собственной массы в них еще не закончился [20].

Взаимное расположение сезонномерзлых и вечномерзлых  грунтов на различных площадках Воркуты неодинаково (табл. I.I). Часто вечномерзлые толщи грунтов прорезаются талыми  прослойками, что вызвано широким распространением водоносных флювиогляциальных отложений. Температура вечномерзлых грунтов воркутинского района находится в пределах от 0° до —2 °С. При этих температурах, как известно, происходят наибольшие изменения фазового состава воды в грунтах, в силу чего прочность грунтов изменяется. Температура мерзлых грунтов изменяется  также в зависимости от глубины и от условий площадки (табл. 1.2). Толщина слоя ежегодного зимнего промерзания и летнего оттаивания различна в зависимости от режима снегоотложений и отепляющего влияния грунтовых вод. Количество снега на  застроенной территории Воркуты выше, чем на равновеликой площади в открытой тундре. На застроенной территории распределение снега происходит неравномерно, плотность его также неодинакова (табл. 1.3). Повышенное снегонакопление на застроеных территории приводит к изменению температуры грунтов (повышению).

В Воркуте температура грунтов' в целом постепенно повышается, а верхняя поверхность вечномерзлых пород опускается Если в Воркуте общую площадь участков, где до застройки елок сезонного промерзания сливался с веч померзлой толщей, принят  за 100%, то в настоящее время на такие участки приходится только 10% [20]. Происходящий процесс понижения верхней поверхности вечномерзлых грунтов вызывается теплофизическими явлениями и вызывается рядом причин, в том числе теплоотдачей зданий в грунт.

Пылеватые покровные делювиальные отложения, на которых чаше всего устраивается подсыпка, исследованы на различных строительных площадках при предпостроечных изысканиях.