Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ВОЗВЕДЕНИЕ СВАЙ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Научная статья
Преснов О.М.
Мелихов В.П.
Зайцев С.А.
Сливина Д.М.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.116.2.006
Выпуск: № 2 (116), 2022
Опубликована:
2022/02/17
PDF

ВОЗВЕДЕНИЕ СВАЙ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Научная статья

Преснов О.М.1, Мелихов В.П.2, *, Зайцев С.А.3, Сливина Д.М.4

1, 2, 3, 4 Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия

* Корреспондирующий автор (memv[at]mail.ru)

Аннотация 

В статье анализируются основные проблемы при строительстве свайных фундаментов в вечномерзлом грунте, также пути решения проблем, возникающих при с использованием свай, описанных в патенте Российской Федерации № 2019112215 на изобретение «Свая, возведенная в вечномерзлом грунте», заявленном 22.04.2019 года и опубликованном 18.12.2019 года (RU 2709579 C1). Внимание уделяется проблемам возведения свайных фундаментов в условиях регионов Крайнего Севера. Основной задачей стоит найти оптимальную конструкцию и технологию возведения свай, обеспечивающую повышение качества и надежности свайных фундаментов. Обозначена конструкция свайного ствола, выполненного в виде армокаменной конструкции, с учетом особенностей грунта. 

Ключевые слова: вечная мерзлота; свайный фундамент; вечномерзлый грунт; свая; трубчатая металлическая конструкция.

CONSTRUCTION OF PILES IN PERMAFROST CONDITIONS

Research article

Presnov O.M.1, Melikhov V.P.2, *, Zaytsev S.A.3, Slivina D.M.4

1, 2, 3, 4 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia

* Corresponding author (memv[at]mail.ru)

Abstract

The article analyzes the main problems in the construction of pile foundations in permafrost, as well as ways to solve problems arising with the use of piles described in the patent of the Russian Federation No. 2019112215 for the invention "Pile erected in permafrost", registered on 22.04.2019 and published on 18.12.2019 (RU 2709579 C1). The study focuses on the problems of the construction of pile foundations in the regions of the Far North. The main objective is to find the optimal design and technology for the construction of piles, ensuring an increase in the quality and reliability of pile foundations. The author outlines the design of the pile trunk, made in the form of an armored stone structure, taking into account the characteristics of the soil. 

Keywords: permafrost; pile foundation; permafrost; pile; tubular metal structure.

Введение

Вечная мерзлота – это толщи земных пород, не оттаивающие в течение длинного периода времени – от нескольких лет до тысячелетий. Глубина зоны многолетней мерзлоты иногда превышает 1000 метров, грунтовые воды в этой зоне находятся в виде льда.  

Вечномерзлый грунт – это грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет [1].

В России общая площадь районов распространения вечной мерзлоты равна примерно 10,7 млн. км2, что составляет около 65% территории страны.

Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая зона особенна по-своему.

С одной стороны, мерзлый грунт является великолепным основанием для строительства зданий и сооружений, он обладает огромной прочностью и способен воспринимать большие нагрузки. Однако возведение зданий в условиях вечной мерзлоты является достаточно трудоемким и дорогостоящим процессом. Грунт в районах крайнего севера претерпевает сезонные циклы замерзания и оттаивания, подвержен повышению среднегодовых температур и влиянию различных техногенных факторов [2], [3].

Вода, содержащаяся в верхних слоях земли над мерзлым грунтом, замерзая, увеличивается в объеме на 9%, что приводит к вспучиванию земли. Вместе с поднятием грунта приподнимается все, что находится на поверхности земли или в ее верхних слоях. Сложность заключается в том, что вспучивание происходит неравномерно. В результате сооружения деформируются, трескаются и перекашиваются.

Именно виду того, что большая часть ресурсного потенциала России сосредоточено в недрах северных территорий, уже достаточно большой период времени ведутся успешные исследования и проектные разработки различных строительных и инженерных объектов широкого круга сфер промышленности России: нефтегазовой, добывающей, жилищно-строительной и др. Это позволило достичь такой ситуации, что сегодня новые объекты в северных территориях строятся уже не путем проб и ошибок, а на основании научных знаний, для таких сооружений существуют особые требования к проектированию и изысканиям.

Возможная деградация вечной мерзлоты представляет серьёзную проблему для промышленной и социальной инфраструктуры Севера вследствие разрушения зданий, построенных по принципу её постоянства [4].

На сегодняшний день страна стоит перед новым глобальным вызовом. Этот вызов связан с потеплением климата, точнее, с изменением температуры в Северном полушарии. Как свидетельствуют климатологи, в последние 15–20 лет температуры стремительно возрастают, а на территории РФ – с опережением. Это, конечно, приводит к большим последствиям: грунты, находящиеся в районах вечной мерзлоты и вообще природа Севера – многое начинает трансформироваться, приспосабливаться к новым температурам.

На территории России такие грунты залегают в определенных районах, как правило, это преимущественно северные и северо-восточные районы [5].

Основная часть

Чаще всего на объектах, которые находятся в зонах вечной мерзлоты, возводят свайный фундамент.

При возведении свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах необходимо применять основательный подход, ведь промерзшие грунты имеют очень высокую прочность. Чтобы их возвести, нужно применить специальную технологию, вызванную особыми характеристиками грунтового основания.

При проектировании свайного фундамента в зонах вечной мерзлоты следует учитывать влияние на устойчивость и эксплуатационную надежность сооружения таких факторов как недостаточная несущая способность сваи, воздействие сил морозного пучения, потеря устойчивости при внезапном оттаивании грунтов, мерзлотно-геоморфологические явления, вызывающие деформации сооружений (бугры пучения, морозобойные трещины, солифлюкционные и провальные образования и наледи) [6].

Основными элементами свайных фундаментов, возводимых в условиях вечной мерзлоты или других специфических условиях, являются буроопускные сваи: металлические, железобетонные, в виде свай-оболочек, трубчатых свай, – вмораживаемые в мерзлый грунт.

На сегодняшний день изучено несколько вариантов фундаментов при применении в условиях вечной мерзлоты, но наиболее выгодным и распространенным фундаментом принято считать свайно-винтовой фундамент [7].

Винтовые сваи имеют большое преимущество в применении перед другими сваями при необходимости устройства фундамента в условиях работы вечной мерзлоты.

Благодаря высокой прочности специального сплава из металла винтовые сваи имеют высокую несущую способность как на сжимающие, так и на выдергивающие нагрузки и могут быть использованы в различных грунтовых условиях.

В отличие от прочих свай, винтовая свая для мёрзлых грунтов представляет собой металлическую трубу и, приваренный к ней, анкер с лопастями, обеспечивающими простое погружение в грунт [8].

Уникальность конструкции винтового наконечника позволяет погружать сваи, не нарушая естественной структуры грунта, при этом обеспечивается максимальная несущая способность сваи. Благодаря своему строению свая может выдерживать нагрузки и оставаться стабильной, именно поэтому она получила широкое применение в строительстве сооружений на вечномерзлых грунтах.

Однако, несмотря на множество преимуществ винтовых свай, существуют ограничения по применению данной конструкции, поэтому не всегда целесообразно ее использование в зонах вечной мерзлоты.

Одним из таких ограничений является использование винтовых свай в грунтах с многочисленными каменными прослойками, в которых повышенное содержание известняка и грунтов скалистой местности. Твердые включения, которые содержатся в грунте, способны привести к повреждению лопастей в процессе установки ствола, следовательно, при завинчивании свая может отклоняться от заданных параметров, что скажется на надежности самой опоры.

В работе [9] проанализированы различные варианты свай для применения в условиях вечной мерзлоты, но их применение не целесообразно по нескольким причинам, основными из которых являются низкая сопротивляемость свай крутящему моменту при оттаивании, а также вероятность потери устойчивости при внезапном оттаивании.

Для повышения несущей способности сваи, возводимой в вечномерзлом грунте, путем обеспечения сопротивляемости сваи крутящему моменту при оттаивании был предложен рациональный вариант сваи, содержащей трубчатый свайный ствол.

Основными элементами данного сооружения являются:

  • свая, содержащая трубчатый свайный ствол, выполненный в виде армокаменной конструкции, которая содержит трубчатый арматурный каркас, заполненный крупным заполнителем в виде камня;
  • внешний и внутренний соосно-расположенные цилиндрические каркасы из арматурных стержней;
  • поперечные кольца и центраторы, например, радиальные диафрагмы, связывающие цилиндрические каркасы между собой;
  • металлическая сетка, скрепленная с арматурными стержнями внешнего и внутреннего каркасов и удерживающая крупный заполнитель в трубчатом пространстве между каркасами, а также охватывающая трубчатый арматурный каркас снаружи;
  • раствор глины с цементом.

При возведении свайного фундамента в вечномерзлом грунте, монтаж сваи производят по буроопускной технологии [10], которую осуществляют следующим образом:

  1. Пробуривают скважину с диаметром, превышающим сечение трубчатого свайного ствола на 100 – 200 мм, при этом предварительно или параллельно осуществляют сборку трубчатого свайного ствола;
  2. Формируют трубчатый арматурный каркас из внешнего и внутреннего соосно-расположенных цилиндрических каркасов из арматурных стержней, объединенных в каждом каркасе поперечными кольцами и центраторами, связывающими каркасы между собой;
  3. Снаружи и внутри обтягивают трубчатый арматурный каркас металлической сеткой, используя снаружи более прочную сетку из проволоки с диаметром 0,5 – 1 мм;
  4. Скрепляют металлическую сетку с арматурными стержнями внешнего и внутреннего каркасов, например, с помощью вязальной проволоки;
  5. Заполняют трубчатое пространство между каркасами с охватывающими их металлическими сетками крупными камнями большего размера, чем ячейки металлической сетки;
  6. В разработанную скважину опускают армокаменную конструкцию, установка которой может производиться с помощью лебедочного блока мобильной буровой установки. При этом формируется пространство между трубчатым свайным стволом и стенками скважины;
  7. В центральную полость трубчатого свайного ствола заливают горячий раствор глины с цементом, который послойно трамбуют или подают инъекциями под давлением. При этом указанный раствор заполняет также пустоты между крупным заполнителем армокаменной конструкции и пространство между ней и стенками скважины;
  8. Осуществляют выдержку конструкции сваи до смерзания.

После окончания всех этапов монтажа заявляемая свая приобретает большую устойчивость в вечномерзлом грунте за счет смерзания с грунтом по всему сечению конструкции, что является огромным преимуществом данного метода установки свай, так как это способствует повышению сопротивляемости сваи крутящему моменту и сохранению устойчивости при внезапном оттаивании.

Данный метод установки сваи является менее затратным, а также производится без разрушительного ударного воздействия на сваю, что увеличивает прочность и долговечность свайного фундамента.

Заключение

Таким образом, предложенная в патенте свая, содержащая трубчатый свайный ствол, выполненный в виде армокаменной конструкции – относится к области строительства, а именно к строительству свайных фундаментов в особых грунтовых условиях, которые могут быть использованы при возведении конструкций на вечномерзлых грунтах. Дальнейшее совершенствование конструкции свай, применение автоматизированных средств и технологий позволят сделать возведение фундаментов на сваях, содержащих трубчатый свайный ствол в виде армокаменной конструкции, еще более востребованным в условиях Крайнего Севера.

                                           Конфликт интересов                                                                    Conflict of Interest Не указан.                                                                                      None declared. Список литературы / References
  1. СП 25.13330.2020 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах СНиП 2.02.04-88 – Введ. 30.12.2020. – М.:Стандартинформ, 2021.
  2. Каптерев П.Н. Вечная мерзлота и борьба с ней / П.Н. Каптерев // Наука и жизнь, 1936.
  3. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебное пособие / Н.А. Цытович. М.: «Высшая школа», 1973. – 448 с.
  4. Гавриш Ю.Е. Теплофизика строительных процессов в условиях вечномерзлых грунтов / Ю.Е. Гавриш. – Ленинград: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. – 96 с.
  5. Таргулян Ю.О. Рекомендации по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах / Ю.О. Таргулян, Д.П. Высоцкий, В.С. Неклюдов // НИИОСП, 1985. – 41 с.
  6. Руководство по организации строительного производства в условиях Северной зоны / ЦНИИОМТП Госстроя СССР,М.: Стройиздат, 1978. – 113 с.
  7. Турдагина, Ю.П. Винтовые сваи в вечномерзлых грунтах / Ю.П. Турдагина // Молодежь и наука: сборник материалов Х Юбилейной Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 80-летию образования Красноярского края– Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2014. – [Электронный ресурс]. URL: https://clck.ru/bWiFL (дата обращения: 12.01.2022)
  8. Свайные основания в условиях вечной мерзлоты Краснояр. политехн. ин-т. – Красноярск: [б. и.], 1963. – 13 с.
  9. Преснов О.М. Свая, возведенная в вечномерзлом грунте / О.М. Преснов, Е.В. Мажанская // Патент РФ № 2709579/18.12.2019.
  10. Велли Ю.Я. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова // Стройиздат, 1977. – 552 с.
Список литературы на английском языке / References in English
  1. SP 25.13330.2020 Osnovanija i fundamenty na vechnomerzlykh gruntakh [Foundations on permafrost soils] Building code (SNiP) 2.02.04-88 - Effective 30.12.2020. - Moscow: Standartinform, 2021. [in Russian]
  2. Kapterev P.N. Vechnaja merzlota i bor'ba s nejj [Permafrost and the fight against it] / P. N. Kapterev // Nauka i zhizn' [Science and Life], 1936 [in Russian]
  3. Tsytovich N.A. Mekhanika merzlykh gruntov. Uchebnoe posobie [Mechanics of frozen soils: a manual] / N. A. Tsytovich Moscow: «Vysshaja shkola», 1973– 448 p. [in Russian]
  4. Gavrish Yu.E. Teplofizika stroitel'nykh processov v uslovijakh vechnomerzlykh gruntov [Thermophysics of construction processes in permafrost soils] / Yu.E. Gavrish. - Leningrad: Stroyizdat. Leningrad Department, 1983. - 96 p. [in Russian]
  5. Targulyan Yu.O. Rekomendacii po ustrojjstvu svajjnykh fundamentov v vechnomerzlykh gruntakh [Recommendations on the construction of pile foundations in permafrost soils] / Yu. O. Targulyan, D. P. Vysotsky, V. S. Neklyudov // Gersevanov Research Institute of Bases and Underground Structures, 1985. - 41 p. [in Russian]
  6. Rukovodstvo po organizacii stroitel'nogo proizvodstva v uslovijakh Severnojj zony [Manual on the organization of construction production in the conditions of the Northern zone] / TSNIIOMTP of the Gosstroy of the USSR, Moscow: Stroyizdat,- 113 p. [in Russian]
  7. Turdagina, Yu.P. Vintovye svai v vechnomerzlykh gruntakh [Screw piles in permafrost soils] / Yu. P. Turdagina // Molodezh' i nauka: [Youth and Science: a collection of materials of the 10 th Anniversary All-Russian Scientific and Technical Conference of students, postgraduates and young scientists with international participation, dedicated to the 80th anniversary of the formation of Krasnoyarsk Krai] [Electronic resource]. - Krasnoyarsk: Siberian Federal University, 2014. - URL: https://clck.ru/bWiFL(accessed: 12.01.2022) [in Russian]
  8. Svajjnye osnovanija v uslovijakh vechnojj merzloty Krasnojar. politekhn. in-t. [Pile foundations in the conditions of permafrost Krasnoyar Polytechnic Institute] - Krasnoyarsk: [B. I.], 1963. - 13 p. [in Russian]
  9. Presnov O.M. Svaja, vozvedennaja v vechnomerzlom grunte [Pile erected in permafrost soil] / O. M. Presnov,V. Mazhanskaya // Patent of the Russian Federation No. 2709579/18.12.2019 [in Russian]
  10. Velli Yu.Ya. Spravochnik po stroitel'stvu na vechnomerzlyh gruntah [Handbook of construction on permafrost soils] / Yu.Ya. Velli, V. I. Dokuchaeva, N. F. Fedorova // Stroyizdat, 1977– 552 p. [in Russian]