На території Радянського Союзу райони вічній грунтів займають до 40% площі. Це вказує на важливість пошуків шляхів зведення надійних і економічних фундаментів на мерзлих грунтах. Численні дослідження і досвід експлуатації цивільних і промислових будівель показали, що пальові фундаменти на вічній грунтах є найбільш індустріальними, конструктивно надійними та економічними в будівництві.
§ 1. Особливості конструкції
До мерзлим відносять грунти, що містять лід і мають постійну негативну температуру. Мерзлі глинисті грунти мають високу міцність, важко піддаються механічній обробці, але при відтаванні вони перетворюються в розріджену масу з малою несучою здатністю.
До властивостей мерзлих грунтів необхідно віднести також миттєву і тривалу міцність.
Миттєвої міцністю називають напругу, що викликає руйнування, грунту при миттєвому додатку навантаження. Напруги, що викликають руйнування через певний проміжок часу, називають довготривалу міцність.
До числа типів паль, застосовуваних на вічній грунтах, відносять палі, що встановлюються в попередньо пробурені свердловини і заповнені ґрунтовим розчином (7.1), палі, встановлені в попередньо оттаенние свердловини з заливанням їх грунтом, а також палі, що забиваються в лідерні свердловини (бу-розабівние ) або без попередньої підготовки грунту.
Для будівництва на вічній грунтах застосовують дерев'яні, залізобетонні і металеві палі. За умовами передачі навантажень палі підрозділяють на висячі (вморожені в грунти) і палі-стійки. Довжина паль коливається від 6 до 15 м.
Конструкції паль. Залізобетонні палі серії 1.011.3М застосовують в районах з твердомерзлих грунтами, які мають температуру нижче мінус 0,3 ° С. Палі цієї серії розраховані на несучу здатність від 10 до 150 т.
Палі серії 1.011-1 з додатковим армуванням, що враховує зусилля від морозного обдимання, застосовні в тих районах, де вічній грунти знаходяться в пластічномерзлом стані, такі палі використовуються як забивні або бурозабівние.
Для розосереджених, споруд рекомендуються металеві палі із вжиттям заходів щодо захисту їх від агресивних надмерз-лотних грунтових вод.
За формою поперечного перерізу палі випускають квадратні, прямокутні, восьмигранні, з загостреним і незаостренним нижнім кінцем.
Налмерзлих грунтах найбільш ефективно працюють восьми-гранниёхі круглі палі суцільного перерізу, оскільки при однаковому поперечному перерізі можна зменшити діаметр свердловини і одночасно збільшити несучу здатність паль.
Залежно від величини і напрямки навантажень застосовують вертикальні, похилі і козлові палі.
Ростверки по палях доцільно влаштовувати збірні. Пристрій таких ростверків та укладання збірних плит перекриттів над вентильованим підпіллям не вимагають температурних швів, що знижує вартість робіт. Висота між грунтом і низом ростверку повинна забезпечувати вентиляцію підпілля.
Для пальових фундаментів, що зводяться за принципом збереження мерзлого стану грунтів підстав, на період будівництва потрібно обов'язково бурити температурні свердловини спостереження .за змерзанням паль з ґрунтом.
§ 2. Пристрій свердловин
Пристрій свердловин для пальових фундаментів на вічній грунтах - одна з найбільш трудомістких операцій, складова 70-80% від загальних трудовитрат на пристрій фундаменту об'єкта.
Розробку свердловин в мерзлих грунтах ведуть машинам / З 'но-канатного, обертального, ударно-обертального і термомеханічного буріння, а також бурінням за допомогою трубчас / их лідерів (бурів), що занурюються сваєбойних агрегатами.
Маючи на увазі, що конструкції пальових фундаментів на таких грунтах складаються з великої кількості паль, на каДцом об'єкті слід підбирати механізми для пристрою свердловин з урахуванням особливостей грунтів і забезпечення автономності роботи машини та економічної експлуатації їх.
Машини ударно-канатного буріння застосовують рідко через обмежену маневреність, складності перевезення і труднощі при наведенні їх на точку розташування палі / Доцільніше застосовувати в цих умовах машини ударно-обертального і термомеханічного буріння.
При лідерних способі проходки свердловин палі-лідери занурюють сваепогружающімі механізмами, а витягують за допомогою тягової лебідки базової машини.
Спосіб буріння свердловин вибирають з урахуванням методу занурення паль. Для занурення паль в свердловини з заливкою ґрунтовим або піщаним розчином, незалежно від того, як і чим утворені свердловини, обладнання підбирають тільки з урахуванням мерзлоти-но-ґрунтових умов майданчика і можливостей будівельної організації. При бурозабівном способі занурення паль необхідні точні розміри свердловин для забивання паль відповідно до вимог проекту.
Мерзлотно-грунтові та технологічні умови для вибору способу буріння і бурового обладнання охарактеризовані в табл. 7.1; порівняльні технічні характеристики бурового обладнання для влаштування свердловин в вічній грунтах наведені в табл. 7.2.
Технологія і механізація робіт з улаштування свердловин детально викладена в гл. 10 і 11.
§ 3. Занурення паль в вічній грунти
Спосіб занурення паль в вічній грунти вибирають з урахуванням фізико-механічних властивостей ґрунтів, їх середньорічний; температури, району будівництва, пори року, вимог до точності занурення паль і т. п.
Температура вічній грунту на глибині до 10-15 м протягом року змінюється, залишаючись весь час негативною. Ці коливання температури грунту відбуваються при певній середньорічний величини.
Середньорічну температуру вічній грунту визначають виміром на глибині 10 м, де сезонні коливання незначні. З урахуванням цієї температури вічній грунти умовно поділяють на низькотемпературні (нижче -1,5 ° С) і високотемпературні (від 0 ° до -1,5е С). Б залежно від цього вибирають спосіб влаштування пальових фундаментів, тривалість вмерза-
ня паль і відновлення розрахункових температур грунту близько-них, можливість і термін передачі на палі розрахункових навантажень.
В умовах низькотемпературних (твердомерзлих) грунтів доцільно використовувати підстави в мерзлому стані. Несуча здатність палі в них значно вище, ніж в високотемпературних, а терміни вмерзання палі і початку завантаження фундаментів значно менші.
При влаштуванні фундаментів на високотемпературних вічно-мерзлих грунтах '(в основному пластічномерзлих) потрібно дотримуватися особливих застережних заходів і до початку будівництва проводити заходи з метою зниження температури грунтів. При влаштуванні свердловин великого діаметра потрібно штучно охолоджувати грунт для вморажіванія палі, бо природне вмерзання їх може тривати кілька місяців, що подовжує терміни будівництва.
Занурення паль в попередньо підготовлені • свердловини з діаметром на 5 см більше діаметру палі з заливкою свердловин ґрунтовим розчином виробляють в технічній / послідовності, зазначеної нижче: 1) бурять свердловини при / температурі в зоні закладення палі не вище -0,5 ° С, при більшій температурі
роботи допустимо виконувати за умови штучного охолодження грунту; 2) заливають грунтовий розчин в свердловину при температурі, яка дорівнює річній температурі зовнішнього повітря, або підігрівають його до 20-40 ° С в зимовий період; 3) після заповнення свердловини грунтовим розчином в неї відразу занурюють палі. При роботі влітку і восени для виключення запливанія свердловин грунтом їх гирла слід обсаджувати на глибину, рівну товщині оттаявшего шару мерзлого грунту. Палі, занурені в свердловини, рихтують для забезпечення проектного і висотного положення.
Глибина проходки свердловини повинна бути
дорівнює довжині палі або дещо більшою. Зайвий грунт можна замінювати піском, щебенем або іншим сипучим малосжімаемим матеріалом.
Для заливки свердловин застосовують глинисті розчини з піщаними заповнювачами. Розчин повинен складатися з 1 частини глинистого грунту і 4-12 частин піску, вологість розчину становить 25-40%, осадка конуса 10-16 см. Розчин заливають до занурення палі. Якість заповнення пазух свердловин контролюється віджимають на поверхню розчином.
Від підбору складу глинистого розчину залежить тривалість вмерзання паль і терміни початку передачі навантажень на палі. При температурі грунтів -5 ° і нижче глинистий розчин замерзає кілька днів, при температурах же грунтів в зоні за-
ділки -0,5-1 ° С вмерзання паль може тривати кілька місяців ..
Міцність смерзания палі з ґрунтовим розчином еквівалентна, характеристикам несучої здатності палі; вона залежить від складу і вологості розчину, а також температури грунту.
Бажано, щоб міцність змерзання палі з грунтами природного складання була не меншою міцності смерзания її з ґрунтовим розчином. Якщо міцність змерзання палі з грунтами природного складання буде менше, ніж з грунтовим розчином, з'явиться прошарок слабшого ґрунтового розчину, що знижує несучу здатність палі.
У мерзлих піщаних грунтах застосування глинистих розчинів-знижує несучу здатність палі на 25-30% внаслідок зменшення опору по бічній поверхні при повному використанні високої міцності піщаних грунтів в торці палі.
Подрібнений і розріджений грунт (бурової шлам), який отримують в літню пору з свердловин ударно-канатними машинами. застосовують в якості глинистого розчину. Якщо бурової шлам. складається з піску, в розчин додають глину.
При промерзанні грунту зверху може виникнути небезпека витріщення грунту знизу разом зі палею.
Свердловини для установки паль можна утворювати методом відтавання. Відтають грунт із застосуванням пара, води відкритими або закритими нагрівальними елементами.
У закритих нагревателях вода або пар не надходять в грунт "а циркулюють в замкнутих системах, що занурюються в пробурені свердловини діаметром 10-15 см.
У пластічномерзлие грунти для невеликої глибини відтавання (до 6-7 м) нагрівачі можна занурювати в мерзлий грунт забиванням.
Парова голка для відтавання вічній грунту зазвичай занурюється під дією власної маси, а в піщані грунти- від зусилля 1-2 робочих. Вступник пар відтає мерзлий грунт і перемішує його. При температурі у наконечника близько 90 ° С розігрівали грунт, стикаючись з мерзлим, як би омиває його, викликаючи інтенсивне відтавання. Порівняно швидкий процес відтавання грунту мало впливає на температуру навколишніх грунтів (7.4)
Процес занурення паль в розмороженого грунту в два рази де<шевле, чем в пробуренные скважины. Но процессом оттаивания грунта трудно управлять: сваи вмерзают неравномерно и медленно. Ориентировочные сроки продолжительности вмерзания свай приведены в табл. 7.3.
Збільшити несучу способноеть палі можна підвищенням міцності смерзания ґрунтового розчину зі палею, що до 25% збільшує опір по її бічній поверхні.
Бурозабівние палі занурюють в пластічномерзлие грунти в утворені лідируючі свердловини при температурі грунту не нижче -0,3 ° С для пилуватих пісків, -0,8 ° - для супісків, -1 ° - для суглинків і -1,2 ° С - для глин .
Розрахункову несучу здатність бурозабівних паль визначають за нормативними опорам мерзлого грунту зрушенню і нормальному тиску. При цьому доцільна вибіркова перевірка фактичної несучої здатності за допомогою статичного випробування паль.
Застосування бурозабівних паль дозволяє зменшити обсяг бурових робіт, виключає мокрі процеси, забезпечує точне
занурення палі в плані. Полегшити занурення бурозабівних паль можна попередніми оттаиванием грунту під стінами свердловини на кілька сантиметрів.
Метод занурення забивних паль в вічній грунти найбільш економічний. Для цих цілей використовують машини ударного або віброударної дії на базі трактора Д-804. Занурювати забивні палі можна на майданчиках, де над несучим шаром грунту залягають пластічномерзлие глинисті грунти без великоуламкових включень. Забивні палі занурюються під дією ударів, від впливу яких лід під вістрям палі плавиться і одночасно зменшується міцність грунту. Утворений навколо тіла палі тонкий шар розмороженого грунту полегшує занурення і одночасно прискорює процес вмерзання палі в грунт.