СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В КРИОЛИТОЗОНЕ
METHOD FOR REDUCTION OF ACTION OF FORCES OF FROST BOIL AND INCREASING STABILITY OF PILE FOUNDATIONS IN PERMAFROST ZONE

Изобретение относится к проектированию, строительству и эксплуатации сооружений в условиях криолитозоны, а именно к защите зданий и сооружений от морозного пучения в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Определяющее влияние на несущую способность свайного фундамента в криолитозоне по отношению к силам морозного пучения, возникающим при кристаллизации надмерзлотных вод сезонно-талого слоя, оказывает величина сил и скорости смерзания свай с грунтом, толщина промерзающего сезонно-талого слоя и степень его водонасыщения, динамика прохождения фронта промерзания вглубь грунтового массива.
Известен способ, повышающий устойчивость свайного фундамента, заключающийся в увеличении глубины заложения фундамента при новом строительстве. Это позволяет обеспечить превышение сил, удерживающих сваю в грунте основания, над касательными силами морозного пучения, возникающими в сезонно-талом или сезонно-мерзлом слое (Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. СНиП 2.02.04-88, М., Госстрой СССР, 1990, с. 1).
Недостатками способа является то, что при строительстве фундамента сваи погружают на большую глубину для того, чтобы их повышенная несущая способность могла компенсировать силы морозного пучения, воздействующие на них. Для эксплуатируемых объектов увеличение глубин заложения фундаментов практически невозможно и экономически не выгодно, поэтому при ошибках проектирования или растепления мерзлоты возникают серьезные проблемы с обеспечением надежности эксплуатации зданий и сооружений. Кроме того, возникающие бугры пучения могут оказать влияние не только на фундамент, но и непосредственно на сооружение, возведенное на нем.
Известен способ снижения воздействия касательных сил морозного пучения на свайный фундамент, в котором применяются специальные конструкции типа "труба в трубе" с межтрубным заполнителем в виде смазки и различные противопучинные обмазки поверхности верхнего конца сваи («Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса». РСН68-87. М. Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с. 21-35).
Недостатками способа является то, что при строительстве фундамента сваи применяются смазки и различные противопучинные полимерные материалы, наносимые на боковую поверхность сваи, расположенной выше кровли многолетнемерзлых пород. В результате для обеспечения заданной несущей способности необходимо увеличивать глубину заложения фундамента. Кроме того, сохраняется риск воздействие явлений пучения (в данном случае образование бугра пучения), который будет оказывать влияние непосредственно на сооружение, возведенное на фундаменте.
Известен способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающий размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров, при этом теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающей к нему территории строительства (RU 2159308, МПК E02D 27/35 (2006.01), опубликовано 20.04.2004).
Существенными недостатками способа является то, что в условиях ограниченной информации о геокриологическом строении, в том числе по результатам геотехнического мониторинга (ГТМ) и изменчивостью во времени, особенно при техногенном воздействии от эксплуатации инженерных сооружений практически невозможно сделать долговременный теплотехнический расчет и прогноз поведения мерзлоты с установленными теплоизоляционными экранами. В результате серьезно повышается риск недопустимых деформаций фундамента и разрушения сооружения.
Известна конструкция для предотвращения морозного пучения грунта, включающая систему скважин, в том числе демпфирующих скважин, пробуренных вблизи или наклонно под фундамент в подстилающем слое грунта на глубину его промерзания и заполненных рабочим телом, при этом каждая демпфирующая скважина содержит гирлянду из взаимосвязанных емкостей, причем в нижней части скважины расположены преимущественно перфорированные емкости, заполненные сухой смесью «соль-песок» в соотношении 1:2, а в верхней части скважины размещены одна или несколько емкостей, заполненных солевым раствором составом не менее 0,5 кг соли на 10 л воды, при этом емкости снабжены диаметрально расположенными выпусками, сообщающимися с внутренним пространством скважин, закрытых съемными оголовками (RU 2513078, МПК7 E02D 27/35, опубликовано 20.06.2004).
Существенными недостатками способа является то, что в демпфирующие, пробуренные вблизи или наклонно под фундамент на глубину промерзания скважины опускают гирлянды взаимосвязанных емкостей, заполненных сухой смесью «соль-песок». Способ неприменим в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород, трудоемок, экономически затратный. Но самое главное, при оттаивании льда в деятельном слое водорастворимые соли из демпфирующих скважин, растворившись в воде, попадут в околосвайное пространство, что вызовет деградацию многолетнемерзлых пород и приведет к снижению несущей способности фундамента. Как следствие - недопустимые риски эксплуатации зданий и сооружений.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ защиты свайного фундамента от морозного пучения, характеризующийся тем, что он предусматривает вмораживание фундамента в грунтовое основание, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта ниже глубины сезонного промерзания, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при установлении отрицательной среднесуточной температуры окружающего воздуха и промораживают с каждой стороны фундамента массив грунта, равный двойной ширине фундамента, причем глубину зоны промораживания определяют на основании зависимости
сп
np
сп
2,2h≥h≥1,7h,
np
где h - глубина зоны искусственного промораживания грунта, м;
сп
h - глубина естественного сезонного промерзания грунта от дневной поверхности, м,
а для увеличения прочности смерзания грунта с фундаментом температуру промораживаемого грунта устанавливают в пределах от -6 до -8°C.
В промораживаемый грунт вводят криоструктурирующие водно-растворимые полимерные компоненты, например поливиниловый спирт, при этом искусственное промораживание окружающего фундамент грунта производят с помощью сезонно действующих устройств для охлаждения и промораживания грунта, включающих грунтовый и воздушный теплообменники и соединительный термоизолированный теплопровод, причем устройства устанавливают в грунт по наружному контуру фундамента с размещением грунтового теплообменника в средней части глубины промораживаемой зон, включая погружение свай в многолетнемерзлые грунты (RU №2227195 опубликовано: 20.04.2004).
Существенными недостатками способа по указанным изобретениям является то, что при его реализации используются сезонно-охлаждающие устройства (СОУ), устанавливаемые у каждой сваи опоры. В ряде случаев это приводит к активизации опасных геокриологических процессов в случае вечномерзлых грунтов с большим содержанием влаги. Один из них - создание в надмерзлотном водононосном горизонте участков подпора (локально ограниченных линз переохлажденных надмерзлотных вод). Именно они и приводят, в частности, к развитию бугров пучения в межсвайном пространстве и воздействию на инженерные сооружения, а так же и сил морозного пучения свай. А это как раз значительно увеличивает риск возникновения аварийных ситуаций в эксплуатируемых зданиях и сооружениях, что и наблюдается на практике.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое техническое решение, являются: снижение воздействия сил морозного пучения на свайные фундаменты, повышение их устойчивости и снижение рисков образования вблизи них бугров пучения в криолитозоне на участках сплошного распространения многолетнемерзлых пород с повышенным содержанием влаги, характерным для условий Крайнего Севера Западной Сибири.
При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении устойчивости свайных фундаментов, а также в исключении образования бугров мерзлотного пучения, морозобойных трещинах и воздействия их на свайные фундаменты объектов
Указанный технический результат достигается тем, что способ снижения воздействия сил морозного пучения и повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне включает погружение свай в многолетнемерзлые грунты, при этом вблизи свай фундамента, в верховодках надмерзлотного водоносного горизонта, в ограниченных гидродинамических зонах размещают водопонижающие колодцы с перфорированной стенкой в нижней части ее образующей, погруженные на глубину не выше кровли многолетнемерзлых пород, в которые устанавливают гидрогеологические разгрузочные трубки, до четырех штук в колодец, внутреннее пространство которых в начале периода промерзания сезонно-талого слоя остается свободным и герметично закупоренным, герметизация разгрузочных трубок достигается благодаря тому, что в нижнем конце каждой трубки устанавливают пакер, а ее верхний конец закрывают герметичной крышкой, с наступлением зимы, в период формирования ограниченных гидродинамических зон в надмерзлотном водоносном горизонте, в том числе в верховодках, и роста криогенных напоров в условиях прохождения вглубь грунтового массива фронта промерзания производят поэтапную разгрузку криогенных напоров, разгрузка криогенных напоров изменяет гидродинамические параметры системы «грунт-фундамент», устраняя условия образования бугров пучени, разгрузку криогенных напоров производят путем последовательного вскрытия разгрузочных гидрогеологических трубок, вскрытие трубки осуществляют путем снятия герметичной крышкой с ее верха и удаления пакера, например, внутрь колодца ручным буровым инструментом, вскрытие трубок производят в моменты, определяемые по результатам анализа текущих геотемпературных данных, получаемых в процессе проведения геотемпературного контроля и мониторинга состояния грунтового массива с начала периода перехода среднесуточных температур атмосферного воздуха ниже 0°C.
fh
fh
Анализ геотемпературного поля позволяет судить о характере продвижении фронта промерзания с поверхности вглубь грунтового массива и о возможных изменениях термобарических параметров надмерзлотного водоносного горизонта, фиксировать динамику сокращения толщин сезонно-талого слоя при его промерзании. Поэтапное вскрытие надмерзлотного водоносного горизонта в определенные моменты времени приводит к уменьшению его водонасыщенности, увеличению скоростей промерзания, уменьшению толщин сезонно-талого слоя, расформированию ограниченных гидродинамических зон (локально ограниченных таликов), уменьшению воздействия сил морозного пучения на сваю, кратному снижению вероятности образования бугров пучения, стабилизации гидродинамической системы в целом. Резко снижается вероятность развития негативных геокриологических процессов и таких явлений, как бугры пучения, морозобойные трещины, и воздействие их на свайные фундаменты объектов. Поставленная задача достигается благодаря тому, что заявляемый способ нарушает необходимое условие возникновения пучения грунта W>W (здесь W - влажность грунта до промерзания, W - влажность предела пучения).
На фиг. 1 показан пример интерпретации данных режимных геотемпературных наблюдений в виде временной гидродинамической модели надмерзлотного водоносного горизонта. На модели визуализируется положение кровли многолетнемерзлых пород и потенциальные участки возникновения избыточных криогенных напоров, в которых следует устанавливать водопонижающие колодцы и проводить поэтапную разгрузку.
На фиг. 2 показана гидрогеологическая разгрузочная трубка, установленная в водопонижающий колодец. Глубина водопонижающего колодца зависит от конкретных условий в точке установки и должна быть равной или большей глубины погружения кровли многолетнемерзлых пород (определяется по интерпретации данных геотемпературных наблюдений).
На фиг. 3 показана принципиальная схема вскрытия гидрогеологической разгрузочной трубки.
На фиг. 4 показана принципиальная схема проведения разгрузочных работ с целью снижения сил морозного пучения и повышения устойчивости свайных фундаментов.
В заявляемом способе на фигурах 2, 3, 4 изображены: гидрогеологическая разгрузочная трубка 1, которая состоит из металлической или полипропиленовой трубы длиной от 1,5 до 2,5 м и Dy 30-50 мм. Трубка 1 оборудована с нижнего торца герметичным пакером 2, а с верхнего - герметичной крышкой 3. Герметизация достигается наличием слоя 4 из резины или герметика, водопонижающий колодец 5, перфорационные отверстия водопонижающего колодца 6, подошва сезонно-мерзлого слоя 7, кровля многолетнемерзлых пород 8, CMC - сезонно-мерзлый слой, СТС - сезонно-талый слой, ММП - многолетнемерзлые породы. На фигуре 4 указаны: инженерное сооружение 9, свайный фундамент инженерного сооружения 10, а также приведено изменение нижней границы (подошвы) I, II, III CMC после проведения разгрузочных работ во времени.
Способ осуществляю следующим образом.
В местах вблизи свайного фундамента 10, где определены по результатам предварительных геотемпературных наблюдений потенциальные участки возникновения избыточных криогенных напоров, устанавливают водопонижающие колодцы 5 с перфорационными отверстиями 6, расположенными внизу корпуса колодцев (в нижней части образующей стенки колодца). Глубина заложения колодцев 5 не выше кровли 8 многолетнемерзлых пород. В каждый колодец 5 устанавливают до четырех гидрогеологических разгрузочных трубок 1. Каждая трубка 1 закрыта снизу пакером 2, а сверху крышкой 3. Герметизацию внутреннего пространства трубок 1 со стороны пакера 2 и крышки 3 обеспечивает герметизирующий слой 4 из резины или герметика. Колодец 5 через перфорационные отверстия 6 заполняется водой до уровня, соответствующего уровню грунтовых вод деятельного слоя.
При наступлении холодов, по мере промерзания жидкости в колодце 5 по направлению сверху вниз, центральная часть каждой гидрогеологической разгрузочной трубки 1 вмерзает в образующуюся ледяную пробку колодца 5 на глубину промерзания текущего положения подошвы 7 сезонно-мерзлого слоя. При наступлении момента, когда становится необходимым осуществить разгрузку криогенного напора, верхнюю герметичную крышку 3 удаляют с первой разгрузочной трубки 1, а пакер 2, расположенный в нижней части трубки 1, срывается внутрь колодца 5 (например, инструментом ручного бурения). В результате канал для выхода напорных вод через первую трубку 1 оказывается открытым и через него происходит удаление из пласта избыточной воды благодаря давлению, возникшему при движении фронта промерзания деятельного слоя вниз. Скорость промерзания грунтов при этом изменяется, а точнее увеличивается. Установлено практически полное прекращение морозного пучения грунтов при повышении скорости их промерзания до 6-8 см/сут. Разгрузка надмерзлотного водоносного горизонта вначале приводит к значительному увеличению скорости промерзания грунтов, а со временем, при перераспределении криогенных напоров внутри ограниченных гидродинамических зон, к ее уменьшению до нулевых значений. Последовательное вскрытие нескольких трубок в процессе прохождения холодной волны вглубь грунтового массива образует цикличность разгрузочного процесса, гарантируя полное исключение процессов криогенного пучения.
Принципиальная схема разгрузочных работ надмерзлотного водоносного горизонта, снижения воздействия сил морозного пучения и повышения устойчивости свайных оснований 10 в криолитозоне представлена на фиг. 4, на которой схематично представлен реальный промышленный эксперимент. В каждый водопонижающий колодец 5 установлены по три гидрогеологические разгрузочные трубки 1, оборудованные пакерами 2, герметичными крышками 3 и герметизирующими слоями 4, по мере вскрытия которых изменяется гидродинамический режим надмерзлотного водоносного горизонта сезонно-талого слоя (СТС). Далее происходит увеличение скорости промерзания с кристаллизацией надмерзлотных вод без образования массивной криогенной текстуры, происходит погружение подошвы 7 сезонно-мерзлого слоя (I, II и III - схематическое изменение границ CMC после проведения разгрузочных работ во времени) и, в большинстве случаев, слияние ее с кровлей 8 многолетнемерзлых пород. При этом касательные силы морозного пучения практически не развиваются или их влияние ничтожно мало для воздействия на боковую поверхность свайного фундамента 10 инженерного сооружения 9. Практически к нулю снижается вероятность формирования однолетних бугров пучения на участке проведения разгрузочных работ и вероятность их воздействия непосредственно на конструкции инженерного сооружения 9, расположенного на свайном фундаменте 10.
В качестве примера реализации заявляемого способа может послужить инженерное сооружение 10 - площадка АВО газа и трубопроводов обвязки компрессорного цеха ДКС-1В ГП-1В Ямбургского НГКМ.
В период с 2009 по 2014 год проведены четыре цикла разгрузочных работ в зимние периоды (декабрь - апрель). Неоднократное образование бугров пучения на участке наблюдавшееся в предыдущие годы, прекратилось, новых деформаций свайных фундаментов, связанных с воздействием сил морозного пучения, не зафиксировано. Кроме того, на участке исследований промышленного эксперимента зафиксированы подъем кровли многолетнемерзлых пород и уменьшение толщины сезонно-талого слоя, другими словами наблюдается аградация криолитозоны, что можно проследить по представленной ниже таблице
В период 2008 - 2013 годы средняя температура грунтов в интервале 2,0-10,0 м понизилась на 0,2-0,7°C, при этом мощность сезонно-талого слоя сократилась с 2,3-4,0 м до 1,8-2,2 м.
Таким образом, экспериментально доказано, что заявляемый способ приводит к достижению поставленной цели, а именно к снижению воздействия сил морозного пучения на свайные фундаменты и повышению их устойчивости, а также к исключению образования бугров мерзлотного пучения, морозобойных трещин, и исключено их воздействие их на свайные фундаменты объектов.