Особые грунтовые условия: многолетняя мерзлота

Распространение ММГ на территории РФ

Многолетнемерзлые грунты распространены на обширных территориях северной части территории РФ, что обеспечивает большинству инженеров-проектировщиков проблемы при довольно вероятном первом в профессиональной деятельности опыте проектирования в таких особых условиях. Основные понятия:

[Многолетнемерзлые грунты (сокращенно ММГ) — грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет (определение СП 25.13330)

Вечная мерзлота — грунт, находящийся в мерзлом состоянии не менее ста лет (определение встречается в некоторых документах)]

Как правило, следует использовать понятие «многолетнемерзлые грунты» (ММГ) как более грамотное, не утверждая, что грунты останутся в мерзлом состоянии навечно – чаще всего это не так.

На карте видно, что в том или ином виде большая часть территории РФ имеет участки на которых встречается ММГ или сплошное их распространение. Таким образом около 65% территории России – районы многолетнемерзлых грунтов.

Глубина распространения толщи мерзлых грунтов в среднем составляет 50-300 м, а максимальная зафиксированная глубина – 1370 м (Якутия, февраль 1982 г). Величина толщи многолетней мерзлоты может со временем уменьшаться (деградация ММГ) или увеличиваться под воздействием различных факторов.

Особенности природных условий в районах распространения ММГ

В районах распространения ММГ как правило можно выделить следующие особенности:

среднегодовая температура наружного воздуха значительно ниже 0 ℃;
большое количество дней в году с отрицательной среднесуточной температурой (короткое прохладное лето и продолжительная морозная зима);
повсеместная заболоченности местности в теплый период года, и как следствие частое залегание торфов в верхней части ИГ- разреза, располагаемого под толстым слоем мха.
малое количество растительности, отсутствие высоких деревьев и других растений.

Повсеместное заболачивание местности и даже образование сети мини-озер на равнинных участках вызвано следующими причинами:

невозможно впитывание (инфильтрация) поверхностных талых и дождевых вод в грунт из-за наличия повсеместного водоупора на небольшой глубине которым служит верхняя поверхность мерзлого грунта.
малая продолжительность теплого периода с невысокими среднесуточными температурами и низкая интенсивность воздействия нагрева лучами солнца что не позволяет удалять атмосферные воды за счет испарения.

В районах распространения ММГ можно наблюдать уникальные природные явления, такие как термокарстовые воронки и бугры пучения.

Типы многолетнемерзлых грунтов – сплошная и островная мерзлота, пластичные и твердые грунты

По характеру распространения ММГ следует выделить 3 основных типа – сплошное, прерывистое и островное.

Сплошное распространение ММГ в районе строительства предполагает что на протяжении существенного расстояния во все стороны от рассматриваемого участка в основании залегают ММГ и такие области не имеют разрывов в плане (более 90% площади покоится на ММГ).

Прерывистое распространение ММГ – в рассматриваемом районе встречаются участки, на которых грунты залегают только в талом состоянии, однако преобладают участки с мерзлыми грунтами.

Островное распространение ММГ – в рассматриваемом районе встречаются участки, на которых грунты залегают в мерзлом состоянии, однако преобладают участки с талыми грунтами.

Часто наблюдаются ситуации, когда мерзлота деградирует – сплошная мерзлота превращается в прерывистую или даже островную, может и вовсе исчезнуть. Это происходит под воздействием изменений климата (глобальное потепление) и влиянием деятельности человека (застройка территорий, нарушение мохово-растительного покрова, изменение рельефа и др.). Иногда мощность мерзлых грунтов увеличивается а их средняя температура снижается (по данным наблюдений в г. Якутск температуры снижаются под воздействием влияние охлаждающего эффекта от зданий с проветриваемым подпольем).

Однако по большей части территорий наблюдается склонность многолетней мерзлоты к деградации, площади сплошного распространения ММГ сокращаются, что вызывает проблемы с ранее построенными по принципу I зданиями и сооружениям.

Многолетнемерзлыми считается та часть грунта, которая залегает ниже сезонноотаивающего слоя, и многие годы находится непрерывно в замороженном состоянии. Иногда кровля ММГ находится ниже чем нижняя граница сезонного оттаивания, в этом случае говорят что мерзлота на площадке несливающегося типа.

Если непосредственно под границей сезонноотаивающего слоя грунта начинается кровля ММГ, то на площадке мерзлота сливающегося типа.

Особенности инженерно-геологических изысканий в районах распространения ММГ

Отчеты об изысканиях для разработки Проектной или Рабочей документации на здания и сооружения в районах распространения ММГ значительно сложнее чем для обычных районов и дополнительно должны включать:

Рекомендации по выбору принципа использования ММГ (I с сохранением мерзлого состояния или II с допущением оттаивания;
Теплотехнические и физические характеристики грунтов как в мерзлом, так и в талом состоянии;
Данные измерений температур грунта по каждой скважине на различных глубинах (термометрия грунтов);
Расширенные гидрометеорологические (климатические) данные.

Примерный перечень характеристик грунтов, необходимых при проектировании:

Для расчетов на мерзлое состояние грунтов (при I принципе использования ММГ):

		Теплотехнические характеристики
T_0,n		°С, температуре грунта на глубине 10 м от поверхности (изыскания)
T_bf		°С,Температура начала замерзания грунта (изыскания или расчет)
C_f		Дж/(м³∙°С) объемная теплоемкость мерзлого грунта (изыскания или расчет)
C_th		Дж/(м³∙°С) объемная теплоемкость талого грунта (изыскания или расчет)
λ_f		Вт/(м∙°С), теплопроводность мерзлого грунта (изыскания или расчет)
λ_th		Вт/(м∙°С), теплопроводность талого грунта (изыскания или расчет)
		Физические характеристики
ρ_d		Т/м³, плотность сухого грунта (изыскания)
ρ_{d,Th f}		Т/м³, плотность скелета (сухого) грунта (изыскания)
W_tot		д.ед, суммарная влажность грунта (изыскания)
W_p		д.ед, влажность грунта на границе пластичности (раскатывания)(изыскания)
W_m		д.ед, влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями (изыскания)
W_w		д.ед, влажность грунта за счет незамерзшей воды (изыскания или расчет)
I_p		д.ед., число пластичности грунта (изыскания)
D_sal		д.ед, степень засоленности грунта
J		д.ед, объемная степень заторфованности грунта
i_tot		д.ед, суммарная льдистость грунта
		Климатические данные
d_th,n		м, нормативная глубина сезонного оттаивания грунта в основании (изыскания)
h_th		м, глубина залегания верхней поверхности ММГ
T_f,m		°С, средняя по многолетним данным температура воздуха в период отрицательных температур (климатология)
T_out		°С, среднегодовая температура наружного воздуха
t_f,m		суток, продолжительность периода отрицательных температур (климатология)
A :		(t_min t_max) °С, полуразность среднемесячн. темп-ры самого теплого и самого холодного месяцев (амплитуда сезонных колебаний темп-ы наружн. воздуха)
V_a		средняя годовая скорость ветра, м/с
ρ_s		Т/м³, среднезимняя плотность снега (изыскания)
d_s		м, среднезимняя высота снежного покрова (изыскания)
q_в		м/с, средняя скорость ветра в зимний период

Данные для расчета свай по НС:

c_egn	ИЛИ	предельно длительное эквивалентное сцепление при испытаниях грунтов шариковым штампом, кПа
R_cn		сопротивление грунта одноосному сжатию (при испытаниях на одноосное сжатие), кПа

Для расчета осадки при оттаивании (если потребуется):

m_th		Коэффициент сжимаемости грунта
A_th		Коэффициент оттаивания грунта

Часть из этих показателей может быть принята по таблицам СП 25, часть можно вычислить через другие показатели, но настоятельно рекомендуется чтобы все показатели были прямо указаны в отчете ИГИ т.к. табличные данные часто очень сильно отличаются от фактических и могут существенно влиять на результаты расчета.

Для расчетов на талое состояние грунтов (при II принципе использования ММГ):

Нужен стандартный набор параметров грунтов в талом состоянии, как для обычных грунтов (при α = 0,85; α = 0,95; и нормативные):

φ – угол внутреннего трения
c – удельное сцепление
ρ – плотность грунта
Е – модуль деформации грунта
e – коэффициент пористости
гран. состав – для песков
I_L– показатель текучести для глинистых песков

(И т.д., как обычно делают в соответствии с нормами на ИГИ – остальные параметры используются редко, но все же иногда нужны)

Выбор принципа использования оснований в районах распространения ММГ

принцип I — многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения, или с допущением их промораживания в период строительства и эксплуатации;

принцип II — многолетнемерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).

Принцип I следует применять, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзлыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района следует принимать использование многолетнемерзлых грунтов по принципу I.

При строительстве на пластичномерзлых грунтах следует предусматривать мероприятия по понижению температуры грунтов до установленных расчетом значений, а также учитывать в расчетах оснований пластические деформации этих грунтов под нагрузкой согласно указаниям (п. 6.1.2 СП 25).

Принцип II следует применять при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов, деформация которых при оттаивании не превышают предельно допустимых значений для проектируемого сооружения, при несплошном распространении многолетнемерзлых грунтов, а также в тех случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооружения и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уровень надежности строительства (п. 6.1.3 СП 25).

В пределах застраиваемой территории (промышленный узел, поселок, микрорайон и т.д.) следует предусматривать, как правило, один принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований. Это требование следует учитывать также при проектировании новых и реконструкции существующих зданий и сооружений на застроенной территории, размещении мобильных (временных) зданий и прокладке инженерно-технических сетей.

Как правило на участках с прерывистым распространением и почти всегда на участках с островным распространением ММГ мерзлые грунты имеют высокие температуры (близкие к температурам начала замерзания грунта 0…-1 град цельсия) и находятся в пластичномерзлом состоянии. На таких участках нерационально применять I принцип использования ММГ основания т.к. по сути пытаться сохранять нечего, и сооружения следует проектировать с допущением оттаивания грунтов основания по II принципу (на характеристики грунтов в талом состоянии).

Грунт пластичномерзлый — Дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой.

Грунт твердомерзлый — Дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой

(определения СП 25.13330)

На площадках, на которых имеет место сплошное распространение ММГ и грунты находятся в твердомёрзлом состоянии приоритетным принципом использования ММГ будет I принцип – с сохранением мерзлого состояния грунтов. Однако если в основании проектируемых зданий и сооружений залегают прочные малосжимаемые грунты то допускается применять принцип II – с допущением оттаивания грунтов основания.

Особенности проектирования фундаментов при I принципе использования ММГ (с сохранением мерзлого состояния грунтов)

При использовании принципа I необходимо как минимум сохранять температуру мерзлого грунта на исходном уровне, а лучше создать условия, при которых температура ММГ в ходе эксплуатации сооружения будет снижаться.

При обычном строительстве отапливаемых зданий и выполнении в них полов по грунту или отапливаемых подвалов в течение всего периода эксплуатации грунты под зданием в течение всего года защищены от воздействия отрицательных температур наружного воздуха но в грунты постоянно проникает тепло от отапливаемого помещения через ограждающие конструкции (преимущественно полы) как бы они не были надежно утеплены.

Дело в том, что слои утепления в полах не останавливают проникновение тепловой энергии в грунт, а только замедляют его. В результате длительной эксплуатации таких сооружений происходит оттаивание ММГ в основании здания и на некотором расстоянии вокруг него на некую глубину, которая увеличивается со временем (растепление многолетнемерзлых грунтов).

Растепление (оттаивание) ММГ в основании зданий и сооружений может, в зависимости от типа грунта, приводить к разрушительным последствиям – неравномерным осадкам основания и фундаментов до 0,5 м и более, а при наличии прослоек льда в составе инженерно-геологического разреза последствия могут быть катастрофическими. Кроме того, это может оказывать негативное влияние на температурный режим окружающих зданий и сооружений.

В результате получения опыта строительства на ММГ было получено простое, но эффективное решение, обеспечивающее оптимальный температурных режим мерзлых грунтов основания –для отапливаемых зданий применяется проветриваемое подполье.

Проветриваемое подполье представляет собой открытое или имеющее постоянно открытые продухи пространство между полом первого этажа здания и поверхностью грунта.

Проветриваемое подполье может считаться примитивным охлаждающим устройством пассивного действия. Охлаждающий эффект при строительстве с проветриваемым подпольем вызван следующими факторами:

поверхность грунта под зданием защищается от воздействия солнечной радиации что уменьшает количество тепла, вносимого в грунт в летний период
поверхность грунта под зданием преимущественно свободна от снега в зимний период, что увеличивает глубину проникновения отрицательных температур в грунт и понижает среднюю температуру деятельного (сезоннооттаивающего) слоя.
Подполье свободно продувается наружным воздухом что исключает воздействие тепла от пола первого этажа, имеющего топление.

Другим вариантом рушения фундаментов на ММГ для принципа I могут служить:

Укладка в основании сооружения вентилируемых труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов
Холодные первые этажи здания
Применение сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ) пассивного типа;
Применение активных охлаждающих устройств.

Для учета всех возможных факторов риска изменения температур мёрзлых грунтов в СП 25.13330.2021 используется температурный коэффициент γ_t к несущей способности основания, который учитывает и изменчивость температур в зимний период, и солнечную радиацию, и толщину/плотность снегового покрова, и плановый срок эксплуатации сооружения. γ_t<1 и отражает риск повышения температуры грунта, что вызовет снижение несущей способности основания.

Особенности проектирования фундаментов при II принципе использования ММГ (с допущением оттаивания грунтов основания)

При использовании принципа II основная опасность — это осадка грунтов при оттаивании и снижение характеристик грунтов основания в талом состоянии по сравнению с характеристиками в мерзлом состоянии.

Твердомерзлый, т.е. по своим свойствам похожий на не очень прочный камень, грунт после оттаивания может превратиться в жидкую грязь, способную стекать по наклонной поверхности (глинистый грунт с показателем текучести более 0,75).

Если же в составе мерзлого грунта присутствует большое количество льда или даже линзы и прослои льда, то после оттаивания лед превратится в воду, которая будет отжата вверх и в стороны от фундамента в результате чего фундамент получит весьма существенные осадки без увеличения нагрузок на него.

Кроме того, если отапливаемое здание/сооружение построено без проветриваемого подполья или других мероприятий, то оно в течение всего периода эксплуатации постоянно вносит в грунт под собой тепло с каждым годом увеличивая глубину и ширину чаши протаивания, что может вызвать неравномерные осадки фундаментов не только этого здания, но и соседних с ним и в целом негативно влияет на температурных режим мерзлых грунтов основания довольно больших территорий.

Поэтому принцип II согласно СП 23.13330 применяется при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов.

В остальном расчеты оснований и фундаментов выполняют как для обычных грунтов принимая в расчеты показатели грунтов в талом состоянии.

Оттаивание грунтов может быть связано не только с наличием отапливаемых сооружений, которые напрямую вносят тепло в грунт, но и с нарушением природных условий. Так, например если удалить верхний мохо-торфовый слой грунта на участке то это может повысить температуру грунтов, т.к. будут снижены теплоизоляционные свойства верхнего слоя (мох служит своеобразной теплоизоляцией).

К повышению температуры грунтов основания и их оттаиванию/ и понижению верхней границы ММГ приводят:

удаление верхнего мохо-торфового слоя грунта;

заболачивание участка, то есть появление на поверхности переувлажнённых участков луж, озер, болот) на длительный срок в теплое время года

увеличение толщи снега на участке в зимнее время (например, из-за появления искусственных препятствий от сдувания), что приводит к уменьшению промерзания зимой

К понижению температуры грунтов основания и поднятию верхней границы ММГ приводят:

Защита поверхности грунта от солнечного излучения

Удаление снега с поверхности в зимнее время (или исключение его наметания)

Искусственное охлаждение (СОУ, активные системы охлаждения)

Отсыпка поверхности крупнообломочным грунтом или щебнем (препятствует прогреву солнечной радиацией, при этом обеспечивая вентилирования через путстоты)

Морозное пучение в районах ММГ

В районах распространения ММГ в подавляющем большинстве случаев очень остро стоит проблема морозного пучения грунтов. Связано это с очень частым наличием в верхних слоях грунтов подземных вод (причины этого явления описаны выше в данной статье).

Промерзание водонасыщенных глинистых грунтов и пылеватых, а в ряде случаев и мелких, песков связано с возникновением больших и очень больших неравномерных деформаций пучения. Так же ситуацию усугубляет наличие под сезонно-талыми слоями водоупора и несжимаемого основания из мерзлых грунтов. Подъем поверхности грунта при промерзании сезонно-талого слоя может составлять 20, а иногда и до 50 см. В связи с этим расчеты на морозное пучение грунтов по формулам СП 25.13330 дают наиболее высокие усилия выпучивания фундаментов (см. статью Сравнение методик расчета на пучение)

Заключение

Строительство в районах распространения ММГ сопряжено с существенными рисками. Проектирование в таких особых условиях должно выполняться с учетом всех возможных факторов риска изменения температур мёрзлых грунтов.

SGround.ru