23.02.2018

Постройка зданий на вечной мерзлоте


Развитие строительства на наших дальневосточных окраинах выдвинуло совершенно новый в строительной технике вопрос — об особенностях постройки сооружений на вечной мерзлоте.

Печною мерзлотою называется мерзлый грунт, никогда не оттаивающий даже в самое теплое время года. В Союзе пределы вечной мерзлоты лежат к северу от линии: маяк Инцы (в Беломорской губе), устье р. Мезени, далее — по 66-й параллели до р Березова, устье р. Тунгузки, далее к юго-востоку по водоразделу р. Лены и Нижи. Тунгузки, затем — к северо-востоку до р. Лены между Витимом и Олекминском, затем к югу, по восточному берегу Байкала, через г. Ургу, Хинганский хребет, Благовещенск и Удинский острог. Эта кривая в нескольких местах пересекает изотерму — 2,0° Ц, но, конечно, не совпадает с нею, так как существование вечной мерзлоты зависит не только от средней годовой температуры, но и от многих других обстоятельств, из коих наибольшее влияние имеет толщина снежного покрова, характер и свойства почвы и ее поверхности, присутствие и высота грунтовых вод и проч.

Глубина залегания вечномерзлого слоя, в зависимости от климата, поверхности почвы, ее покрова и прочих обстоятельств, меняется от 0,85 см и даже 0,65 м до 3,2 м; мощность же (толщина) слоя мерзлоты колеблется в пределах от 15 — 17 м у Белого моря в европейской части бывш. СССР, до 200 м в Якутской области и Сибири.

Скалистая почва, а также чистая крупно-песчаная и гравелистая особенно в отсутствии грунтовой воды, промерзая, почти не меняет своих свойств, и потому постройка зданий на вечномерзлых грунтах такого характера никаких особенностей не представляет и о ней мы говорить не будем. Почва же, представляющая суглинок, супесок, глинистый песок, плывун, щебенисто-песчаную глину, в присутствии воды, промерзая, приобретает свойства, скалистого грунта с временным сопротивлением раздроблению около 30 кг на 1 кв. см, что соответствует допускаемой нагрузке на нее от фундаментов в 3,0—5,2 кг на 1 кв. см. Тем не менее многочисленные примеры повреждения и даже разрушения возведенных на вечной мерзлоте построек показали, что такие постройки должны производиться при соблюдении известных условий и предосторожностей. Здесь приводятся три основных условия, которые должны быть удовлетворены при постройке зданий на вечной мерзлоте, и те меры, которые могут быть рекомендованы для удовлетворения этих условий.

I. Необходимо, чтобы не могло произойти оттаивания мерзлоты под подошвою фундаментов, так как мерзлый грунт, пропитанный водою, оттаивая, превращается в жидкую кашицу, что влечет за собою большую и неравномерную осадку и даже разрушение постройки.

Так как бутовая кладка фундаментов значительно теплопроводнее грунта, то летом прогревание фундаментов будет происходить быстрее, чем почвы, а потому грунт оттает под фундаментами глубже, чем вокруг них; поэтому, если фундаменты заложены лишь на глубине верхнего предела вечной мерзлоты или только немного ниже этого предела, то летом под фундаментами (фиг. 35) часть мерзлого грунта (в) оттает и, превратившись в жидкую кашу, обусловит осадку фундамента до неоттаявшей поверхности мерзлоты (пунктир). Такое явление будет повторяться ежегодно, причем глубина, до которой может оттаять грунт под фундаментами, нагреваемыми солнечными лучами, доходит до 3—4,5 м и даже значительно более того.
Для устранения оттаивания мерзлоты под фундаментами следует:

а) или заложить подошву фундамента на глубине большей, чем та, на которую может распространиться оттаивание мерзлоты теплопередачею через фундаменты, что может быть определено путем опыта, по существующим постройкам, или приблизительно путем сравнения теплопроводности грунта и кладки фундаментов; но способ этот не всегда удобоприменим, так как для этого глубина фундаментов часто будет требоваться непомерно большая;

б) или устроить фундаменты на естественном слое или искусственном крупно-песчаном, гравелистом или щебеночном основании такой толщины, которая предохранила бы от оттаивания вечно-мерзлый глинисто-песчаный или иной, дающий при оттаивании жидкую кашицу, грунт. Фиг. 36 представляет пример возведения постройки на фундаментах, подошва которых была распложена всего на 1,8 м ниже горизонта, на естественном песчано-хрящеватом слое, причем слой мерзлого суглинка залегал на 6,1 м ниже подошвы фундамента; в этом здании оттаивания мерзлого суглинка и осадки фундаментов не наблюдалось; в тех же зданиях, где между подошвою фундамента и мерзлою глиною лежал слой песка с хрящем, толщиною 2,4 м произошло оттаивание глинистого грунта, вызвавшее осадку и повреждение построек;
в) или устроить в фундаментах прослойки из малотеплопроводного материала, напр., из асфальта, пропитанного смолою войлока и проч. Последние два способа могут комбинироваться: так, на фиг. 37 показан предложенный инженером Ю. Бартошевичем прием устройства искусственного основания из щебня или гравия M в котловане, дно и бока которого в нижней части одеты щитами из 6-сантиметровых (2,5-дюймовых), пропитанных антисептическим составом досок; на это основание, толщиною 0,7 м до подошвы фундамента, ставится бутовый фундамент, который на горизонте земли имеет войлочную прокладку v, а над цоколем — асфальтовую прослойку и в 1,25 см (1/2') толщины. Конечно, весьма полезно отведение из щебеночного слоя грунтовой воды, но устройство и обеспечение правильного функционировании дренажа в вечно-мерзлом слое является чрезвычайно затруднительным.

II. Необходимо, чтобы не происходило оттаивании мерзлоты также и под полами постройки, что является возможным при постройке на мерзлоте отапливаемых зданий. Такое явление представляет следствие прогревания грунта под постройкою через полы, вследствие чего верхний предел вечной мерзлоты понижается тем более, чем теплее внутри постройки, чем теплопроницаемее полы и грунт, чем продолжительнее существование постройки и чем обширнее покрываемая его площадь, так как при этом имеет место меньшая потеря тепла в стороны, по периметру фундаментов.

Это явление сопровождается образованием под полами нижнего этажа больших скоплений воды, которая, не имея выхода и не впитываясь мерзлою почвою, стоит здесь большими лужами В то же время оттаивание слоя мерзлоты вызывает осадку полов и с ними переборок, а также обусловливает увеличение глубины опускания верхнего предела мерзлоты под подошвою фундаментов стен, печей и пр.

Против этого можно принять следующие меры:

а) основать полы 1-го этажа на слое песка, или каменноугольной изгарины, или шлаков, толщиною 25—35 см (К, фиг. 37), по которому проложен просмоленный войлок, залитый слоем асфальта в 1,25 см толщиной; пол деревянный, шпунтовый, настлать по лагам, уложенным по кирпичным столбикам nn; для удаления из подполья воды, которая может появиться в случае недостаточности принятых против оттаивания мер, следует дренировать подсыпку К. Однако этот способ недостаточно надежен, так как не устраняет, а лишь замедляет прогревание почвы под зданием;

б) строить отапливаемые здания на фундаментах в виде столбов; располагая их друг от друга на расстоянии в 3—4,25 м ось от оси и перекрывая арками mm фиг, 38 или архитравным перекрытием на железных балках; для уничтожения распора арок т могут быть на высоте пят их заложены связи tt. При этом пол должен быть устроен по балкам, непременно с двойною смазкою, чтобы не было слишком большого охлаждения.

Такая конструкция не только не вызовет прогревании почвы под зданием, но, наоборот, будет способствовать повышению верхнего предела мерзлоты, так как подполье будет холодное и, притом, защищенное зданием, как зонтиком, летом от — солнечных лучей, зимой же от снежного покрова, предохраняющего почву от промерзания. Ho этому способу возведены, напр., постройки радиостанции и инженерного склада в Чите.

III. Необходимо, чтобы не происходило выпучивания фундаментов при промерзании грунта.
Замерзание оттаявшего верхнего слоя груша, насыщенного водою, вызывает образование пучин, влекущих за собою выпирание фундаментов и образование трещин в зданиях. Пучение грунта обусловливается увеличением из 11% объема воды при ее замерзании.
Грунт, содержащий 2% воды, промерзая, увеличивается в объеме всего на 5%, а, принимая во внимание коэффициент расширения от изменения температуры зерен грунта, всего на 1,5—2%. Такое расширение грунта само по себе не могло бы вызвать больших повреждений в постройках; однако оказывается, что на деле пучинистые грунты при промерзании увеличиваются в объеме на 20—30% и более; это объясняется тем, что пропитанная водою суглинистая почва, при замерзании, увеличивается в объеме и дает массу волосных трещин, которые тотчас же наполняются подою из нижних слоев грунта. Вода, наполняя волосные трещины, замерзает в них лишь при нескольких градусах мороза, причем грунт снова увеличивается в объеме и вновь дает волосные трещины, заполняющиеся водою, и т. д.; таким образом, пучение грунта может достигнуть почти неограниченных размеров при условии, что к промерзающему грунту будет притекать вода, выжимаемая тем же пучением из нижних слоев. При этом следует заметить, что способностью пучиться при промерзании обладают только суглинистые, супесчаные, глинистогравелистые и глинисто-щебенистые грунты, а также илистые и плывуны, конечно пропитанные водою; чистые же песчаные, особенно крупнопесчаные, гравелистые н щебенистые грунты, а также чистая жирная глина пучин не дают.

Выпирание фундаментов строений, построенных на пучинистом грунте, может происходить в следующих случаях:

а) если под подошвою фундамента окажется оттаявший пучинистый грунт, что является возможным, когда фундамент заложен на несоответствующем основании (из пучинистого грунта) и притом выше глубины промерзания грунта зимою, или когда фундамент, заложенный в слой вечной мерзлоты, прогреет ее, чем обусловится оттаивание ближайшей к подошве фундамента части мерзлоты. С этими явлениями надо бороться теми же средствами, которые были указаны выше: устройством искусственных оснований из малотеплопроводных и неспособных пучиться материалов (крупного песка, гравия, щебня), дренированием основания, устройством малотеплопроводных прослоек в фундаментах и отведением от фундаментов поверхностной воды соответствующею планировкою местности и устройством замощенных камнем откосов от фундаментов из слоя жирной глины s (фиг. 37 и 38);
б) если фундаменты основаны на вечной мерзлоте таким образом, что оттаивания ее под подошвою произойти не может, то все-таки выпирание фундаментов является возможным при промерзании оттаявшего летом верхнего слоя пучинистого грунта PP (фиг. 39), который при этом, расширяясь, сжимает фундамент и, пучась, сцеплением и трением о его бока, поднимает его вверх; при небольшой глубине фундамента его поднимает целиком; если же он заложен глубоко, то при этом может оторваться верхняя его часть К от нижней t; образовавшаяся же щель Z заполнится водою и жидким грунтом, замерзание которого еще усилит пучение. С этим явлением приходится бороться следующими способами: 1) устраивать фундаменты трапецоидального профиля (фиг. 40) и боковые их поверхности оштукатуривать вгладь цементным раствором, после чего промазать их дегтем или салом, сплавленным с дегтем; этим будет достигнуто минимальное сцепление мерзлого грунта с боками фундаментов; 2) засыпать по возведении фундаментов остальную часть котлованов крупным песком, гравием или щебнем, с отведением грунтовой воды дренажем (d) и поверхностной — откосами из глины (s), замощенными камнем; 3) с тою же целью полезно увеличить нагрузку на фундаменты; в этом отношении отдельные столбы (в виде усеченных пирамид) выгоднее непрерывных фундаментов, так как на единицу боковой поверхности столбов приходится нагрузка от здания в 1,5—2 раза большая, чем на единицу боковой поверхности непрерывного фундамента.
В заключение следует заметить, что небольшой перерасход при постройке зданий на мерзлоте с соблюдением данных здесь общих указаний сторицею вознаградится экономиею в расходах по исправлению постоянных повреждений их впоследствии и отразится на их большей долговечности: здесь, как и во многих случаях строительной практики, первоначальная дороговизна постройки оправдывается ее истинною экономичностью.





Яндекс.Метрика