Строительство на вечномерзлых грунтах

В настоящее время лучшими по всем показателям являются фундаменты из столбов диаметром 0,8 м или свай сечением 0,35X0,35 и 0,4X0,4 м. При возведении таких фундаментов с высоким ростверком отпадает необходимость в трудоемких и длительных работах по устройству котлованов. Работы по сооружению этих фундаментов можно комплексно механизировать и проводить круглогодично. Конструкция их проще и расход материалов меньше по сравнению с другими типами фундаментов. Такие фундаменты более надежны, поскольку столбы и сваи можно погрузить без больших дополнительных затрат так, чтобы нижняя их часть опиралась на прочные или на непросадочные при оттаивании грунты, или же заглубить в толщу неоттаивающих в период эксплуатации мостов вечномерзлых грунтов.

Ввиду несомненных достоинств фундаменты из свай или столбов широко применяют в мостостроении. Фундаменты из свай используют преимущественно в немерзлых грунтах без твердых включений, когда сваи можно забить без устройства лидерных скважин.

Для средних мостов устои проектируют с фундаментами, ростверк которых расположен над естественной поверхностью грунта (рис. 11.2, а), а промежуточные опоры в местах наличия ледохода - с фундаментами, имеющими заглубленный в грунт ростверк (рис.).

Устой и промежуточная опора с фундаментами мелкого заложения

Устой и промежуточная опора со свайными фундаментами

4. Безростверковые  свайные и столбчатые опоры

Безростверковые свайные опоры

Значительно более экономичны безростверковые свайные устои (рис. 11.3, а) и промежуточные опоры из куста свай, нижняя заглубленная в грунт часть которых является фундаментом, а верхняя, возвышающаяся над грунтом и объединенная подферменной плитой (на которую опираются пролетные строения), - надфундаментной частью опоры (рис. 11.3, б).

Несмотря на высокую экономичность свайных фундаментов и опор, они не получили широкого применения в мостах на вечномерзлых грунтах из-за больших затрат труда на изготовление, транспортировку и заглубление в грунт значительного числа свай (от 4 до 20 для одной опоры), а также на бурение скважин.

С увеличением размера поперечного сечения свай необходимое их число в фундаменте или опоре может быть существенно уменьшено. В настоящее время оптимальными по техническим возможностям технологического оборудования, условиям постройки и эксплуатации мостов признаны железобетонные столбы диаметром 0,8 м. С применением фундаментов и опор из таких столбов на БАМе построено более тысячи малых и средних мостов.

В дальнейшем по мере совершенствования и повышения мощности и производительности технологического оборудования диаметр столбов будет увеличен до 1,2-1,6 м.

Успешный опыт применения столбчатых опор подтвердил их высокую экономическую эффективность по сравнению с массивными опорами. При устройстве столбчатых опор требуется в 2-4 раза меньше бетона, затраты труда сокращаются в 2-3 раза, сроки работ - в 1,5-2 раза, объем земляных работ уменьшается в 10-15 раз.

Столбчатые устои (рис. 11.4, а) и промежуточные опоры (рис. 11.4, б) могут применяться в любых инженерно-геокриологических условиях.

Безростверковые столбчатые опоры

5. Требования для столбчатых конструкций

На вечномерзлых грунтах, используемых по принципу I, столбчатые конструкции допускается применять для мостов при выполнении следующих требований:

) вечномерзлые грунты  в районе мостового перехода  должны быть, как правило, сплошными  по распространению, сливающимися  со слоем сезонного промерзания;

) определяемая по результатам  изысканий температура на уровне  нулевых годовых амплитуд (на  глубине 10 м от поверхности грунтов) должна быть не выше минус 1,5°  С при незасоленных глинистых  грунтах в зоне заделки столбов  и не выше минус 1,0° С при  незасоленных песчаных грунтах;

) предусмотренные проектом  специальные мероприятия (пропуск  воды со скоростями, не превышающими  естественные, а при больших скоростях  соответствующее укрепление дна  водостока) должны исключать возможность размыва дна русла и обеспечивать сосредоточенный пропуск меженных вод;

) пазухи котлованов столбчатых  фундаментов с ростверком, заглубленным  в грунт, должны засыпаться местным (из слоя сезонного оттаивания) грунтом с послойным уплотнением;

) низ столбов, заглубленных  в грунты, сохраняющиеся в твердомерзлом  состоянии, должен располагаться  минимум на 4 м выше поверхности  подземных льдов или льдистых  грунтов. Если это условие не  может быть выполнено, то такие  грунты или льды следует, как  правило, прорезать столбами, погрузив  их низ в несущий слой мерзлого  грунта на глубину, определяемую  расчетом;

) конусы устоев должны  отсыпаться из песка, крупнообломочных  отложений или горной массы. Для  сохранения твердомерзлого состояния  грунтов в основании фундаментов  устоев поверхность конусов рекомендуется  обсыпать слоем камня толщиной 0,8-1 м;

) для обоснованного увеличения  расчетного диаметра столбов  до диаметра скважин нижнюю  часть боковой поверхности столбов  на длине не менее 4 м следует выполнять гофрированной по типу, принятому в применяемом проекте столбчатых конструкций;

) для заделки столбов  в скважинах должны использоваться  цементно-песчаный или цементно-шламовый  раствор (смесь цемента с буровым  шламом) без противоморозных добавок  либо водонасыщенный уплотненный  песок;

) для безопасного пропуска  нагрузок по мосту в периоды  строительства и эксплуатации  дороги необходимо обязательно  предусмотреть время на смерзание  столбов с окружающим грунтом. Продолжительность смерзания столбов  с грунтом должна назначаться  с учетом температуры вечномерзлых  грунтов, температуры воздуха в  период строительства фундаментов, скорости бурения скважин, температуры применяемой технологической воды и влияния других факторов;

) для контроля за ходом  смерзания столбов фундамента  с окружающим грунтом необходимо  опустить термотрубку диаметром 5 см в зазор между боковой  поверхностью скважины и последним  по времени установки столбом;

) устанавливать пролетные  строения и пропускать по мосту  нагрузку следует после достижения  вечномерзлыми грунтами на контакте  с боковой поверхностью столбов  среднего значения температуры, соответствующего переходу этих  грунтов в твердомерзлое состояние. Регулярный пропуск по мосту  подвижной нагрузки разрешается  после наступления полного смерзания  столбов с вечномерзлыми грунтами, характеризуемого понижением температуры  грунтов на контакте со столбами  до значений, принятых в расчетах  несущей способности фундаментов.

6. Подошва фундаментов  мелкого заложения

Глубину заложения подошвы фундамента, низа столбов или свай от уровня естественной поверхности, грунта или срезки назначают по результатам расчета несущей способности грунтовых оснований с учетом влияния следующих наиболее существенных факторов: инженерно-геологических и гидрогеологических условий в местах возведения опор; принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований; глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов; возможности пучения грунтов при их сезонном промерзании и осадки основания в результате оттаивания грунтов; наличия льдонасыщенных грунтов и включений подземных льдов; характерных особенностей конструкции и технологии строительства фундаментов.

Отметку подошвы возводимых на суходолах фундаментов мелкого заложения (эстакад и путепроводов) в не подверженных пучению крупнообломочных грунтах, гравелистых и крупных песках при содержании в них частиц размером менее 0,1 мм в количестве меньше 10% по массе допускается назначать независимо от уровня Промерзания грунтов при условии простирания их толщи минимум на 1 м ниже глубины промерзания и отсутствии в зоне промерзания напорных вод. Во всех остальных случаях подошву фундаментов необходимо располагать не менее чем на 0,5 м ниже расчетной глубины промерзания.

Подошву фундаментов мелкого заложения требуется заглублять в несущий пласт из любых грунтов, кроме скальных, не менее чем на 1 м от его поверхности, а в скальные не выветренные грунты не менее чем на 0,1 м.

Отметку подошвы ростверка столбчатых или свайных фундаментов на суше, поймах и в русле периодически действующих водотоков следует назначать вне слоя сезонного промерзания пучинистых грунтов (ниже уровня промерзания не менее чем на 0,25 м или выше дневной поверхности грунта на 1 м и более для промежуточных опор, на 0,5 м и более для устоев). Под не заглубленным в грунт ростверком фундамента устоев следует предусматривать свободное от грунта обсыпки пространство (зазор высотой 0,1-0,2 м).

Допускается назначать отметку подошвы ростверка столбчатых или свайных фундаментов опор эстакад и путепроводов, возводимых на суше в грунтах, не подверженных пучению, независимо от глубины сезонного промерзания при условии простирания толщи указанных грунтов не менее чем на 1 м ниже глубины промерзания и отсутствии в зоне промерзания напорных вод, а возводимых в руслах водотоков - на любом уровне (в том числе выше дна русла) при отсутствии промерзания воды до дна, но не менее чем на t - j0,5 м ниже уровня низкого ледостава, где / - толщина льда в метрах.

Опирание подошвы фундаментов мелкого заложения, нижнего конца свай или столбов на подземные льды или на используемые по принципу II мерзлые льдистые грунты запрещается. Сваи (столбы) необходимо погружать через оттаивающие в период эксплуатации сооружения льдистые грунты в подстилающие грунты на глубину, определяемую расчетом.

Необходимое заглубление свай или столбов в грунт определяют в результате расчетов фундаментов по несущей способности грунтов на воздействие заданных в проекте нагрузок и по условию предотвращения возможного выпучивания в грунтах, подверженных пучению.

Особое внимание приходится уделять расчетам свай и столбов на выпучивание. Наблюдениями установлено, что около 10% пост роенных свайно-эстакадных мостов деформируются в результате выпучивания свайных опор. Часть из них выпучивается спустя 1-2 года после окончания строительства мостов. На отдельных мостах отмечены деформации опор через 5-8 лет после сдачи мостов в эксплуатацию. Чаще всего выпучиваются промежуточные опоры, находящиеся в зоне максимального увлажнения и наиболее глубокого промерзания грунтов. В пределах конусов, где грунт основания защищен от глубокого сезонного промерзания, пучение наблюдается крайне редко.

В результате пучения грунтов опоры мостов могут приподниматься на несколько десятков сантиметров, а опоры деревянных мостов - до 1 м и более. Выпучивание опор происходит неравномерно, больше со стороны затененной части моста. Перекосы достигают 3-4 см, а иногда и больше. Обычно пучение грунтов начинается в декабре и достигает наибольшего значения в январе - марте. Осадка выпучившихся опор происходит в июне-июле. Установлено, что чем меньше давление на сваи от постоянных нагрузок, тем больше они выпучиваются при прочих равных условиях, тем глубже их приходится погружать в грунт.

Расстояние в плане между вертикальными столбами фундаментов и опор необходимо принимать таким, чтобы толщина стенки грунта между соседними скважинами проектного диаметра была не менее 1 м.

Расстояние в свету между забивными сваями на уровне их нижних концов должно быть не менее двух толщин (диаметров) свай, а на уровне подошвы ростверка фундамента - не менее половины толщины свай.

Для уменьшения глубины заложения свай (столбов) в грунтах, используемых по принципу II, допускается устраивать уширение пяты.

7. Столбчатые или  свайные фундаменты и опоры

Столбчатые или свайные фундаменты и опоры следует конструировать, как правило, с применением насадки сборной конструкции. Допускаются насадки, бетонируемые на месте строительства моста.

Верх свай или столбов следует заделывать в сборную или монолитную насадку опоры (фундамента) с помощью выпусков арматуры. Для омоноличивания стыков сборных элементов используют бетон классов не ниже ВЗО и F 300. Наряду с монолитными стыками рекомендуются равнопрочные с элементами стыки, осуществляемые сваркой закладных деталей свай (столбов) и насадки.

Боковой поверхности нижней части столбов на длине минимум 2 м от их подошвы необходимо придавать искусственные неровности (рифление) путем устройства по периметру столбов впадин глубиной 3-4 см и шириной не менее 6 см.

Для доброкачественной заделки столбов в разные грунты в проектах фундаментов следует предусматривать необходимость бурения скважин диаметром, превышающим на 20 см диаметр столбов. Для свай, заделываемых путем вытеснения раствора, диаметр скважин должен на 5-10 см превышать размер диагонали или диаметр свай.

В проектах фундаментов, как правило, предусматривают применение цементно-песчаного раствора для заполнения зазора между столбами или сваями и поверхностью скважин ниже подошвы деятельного слоя независимо от вида, состояния грунтов и принципа их использования в качестве оснований. Для заполнения зазоров применяют раствор марки 100-200 в скальных грунтах и марки 50-100 в нескальных грунтах. В мерзлых грунтах, используемых по принципу I, для заполнения зазора между столбами или сваями и поверхностью скважин ниже уровня расчетного оттаивания вечномерзлых грунтов допускается применять водонасыщенный песок, укладываемый с виброуплотнением. Для заполнения зазора между столбами или сваями и поверхностью скважин в пределах толщи деятельного слоя необходимо использовать уплотняемый по мере укладки местный грунт. При деятельном слое, сложенном песчаными грунтами, для засыпки используют сухой песок.

Для фундаментов и для опор мостов следует применять железобетонные столбы или сваи сплошного сечения. Для фундаментов промежуточных опор и для безростверковых обсыпных устоев допускается вместо столбов применять полые железобетонные оболочки со стенкой толщиной не менее 15 см.

Толщина защитного слоя бетона столбов и свай (до стержней продольной арматуры) должна быть не менее 5 см. Для столбов и свай нужно применять бетон классов не ниже В30 и F 300, а для ростверков фундаментов и для опор - не ниже В25 и F 300. Во всем остальном столбы, сваи и ростверки фундаментов на вечномерзлых и немерзлых грунтах конструируют одинаково.