СП 116.13330.2012. 12 Мероприятия для защиты от морозного пучения грунтов

12.1.1

Инженерная защита от морозного (криогенного) пучения грунтов необходима для строящихся в зимнее время, малонагруженных, неотапливаемых и законсервированных зданий, подземных и заглубленных сооружений, линейных сооружений и коммуникаций (трубопроводов, ЛЭП, дорог, аэродромов, линий связи).

12.1.2

Противопучинные мероприятия применяют в случае, если устойчивость сооружения, рассчитываемая на действие сил пучения, не компенсируется нагрузкой от сооружения, а деформации пучения или осадки при оттаивании превышают предельно допустимые значения деформаций.

12.1.3

Морозное пучение грунтов проявляется при сезонном и многолетнем промерзании пучинистых грунтов в основании фундаментов или на контакте с их боковой поверхностью, в результате чего возникают нормальные и касательные силы пучения, приводящие к деформированию сооружений и грунтового массива.

12.2.1

Для проектирования мероприятий инженерной защиты зданий и сооружений от морозного пучения грунтов необходимы следующие данные:

гранулометрический и минеральный состав грунтов;

плотность грунтов;

водно-физические свойства грунтов (предзимняя влажность, влажность пределов пластичности, полная влагоемкость, коэффициент фильтрации, капиллярное поднятие);

деформационные свойства грунтов;

теплофизические свойства грунта (теплоемкость, теплопроводность);

уровень подземных вод;

глубина сезонного промерзания и оттаивания;

климатические данные - среднемесячная температура воздуха в зимний период, продолжительность зимнего периода, высота и плотность снежного покрова;

нагрузки от сооружения.

12.2.2

При заложении фундаментов выше глубины сезонного промерзания грунтов расчет устойчивости проводят на воздействие нормальных и касательных сил морозного пучения, при заложении фундаментов ниже глубины сезонного промерзания расчет устойчивости проводят только на воздействие касательных сил пучения.

Расчеты устойчивости следует вести в соответствии с СП 22.13330 и СП 25.13330. Удельные касательные силы морозного пучения определяют по ГОСТ 27217.

Расчеты фундаментов по деформациям от действия морозного пучения грунтов ведут в соответствии с СП 22.13330 и СП 24.13330. Величину деформации морозного пучения определяют по ГОСТ 28622.

12.3.1

Противопучинистые мероприятия для зданий и сооружений назначают, если устойчивость сооружения, рассчитанная на действие сил морозного пучения, не обеспечивается нагрузкой от сооружения и силами заанкеривания фундамента в талых или мерзлых грунтах.

Противопучинные мероприятия подразделяют на следующие виды:

инженерно-мелиоративные (тепломелиорация и гидромелиорация);

конструктивные;

физико-химические (гидрофобизация грунтов, добавки полимеров, засоление и др.);

комбинированные.

12.3.2

Тепломелиорация направлена на уменьшение глубины промерзания грунта возле фундамента и повышение температуры мерзлого грунта. Тепломелиоративные мероприятия заключаются в горизонтальной и вертикальной теплоизоляции фундамента, прокладке вблизи фундамента по наружному периметру подземных коммуникаций или греющего кабеля, выделяющих в грунт тепло.

12.3.3

Гидромелиоративные мероприятия сводятся к понижению уровня грунтовых вод, осушению грунтов в пределах сезонно-мерзлого слоя и предохранению грунтов от насыщения поверхности атмосферными и производственными водами. Применяют отмостки, водопонижение, открытые и закрытые дренажные системы (лотки, канавы, трубы), проектирование которых производят по СП 104.13330.

12.3.4

Конструктивные противопучинные мероприятия предусматривают повышение эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в пучинистых грунтах и предназначаются для:

снижения усилий, выпирающих фундамент;

анкеровка фундаментов в талых и мерзлых грунтах;

приспособления фундаментов и надземной части сооружения к неравномерным деформациям пучения.

12.3.5

Для снижения касательных сил пучения следует:

проектировать сооружения на столбчатых и свайных фундаментах;

уменьшать число отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору;

уменьшать сечение столбчатых фундаментов и свай в пределах промерзающего слоя;

устраивать у железобетонных фундаментов наклонные боковые грани (до 2° - 3°), обеспечивающие увеличение сопротивления фундамента действию касательных сил пучения;

применять для обмазки боковой поверхности фундаментов вязкие не смерзающиеся материалы и гидрофобные пропитки;

применять для наклеивания на боковые поверхности фундаментов полимерные пленки;

уменьшить шероховатость боковой поверхности фундаментов.

12.3.6

Для приспособления конструкций фундаментов и надземной части зданий к неравномерным деформациям морозного пучения можно применять:

устройство в каменных стенах и фундаментах железобетонных поясов;

устройство осадочных швов в сооружениях;

фундаменты рамной конструкции или фундаментные железобетонные плиты;

замену пучинистых грунтов и устройство под зданием (сооружением) сплошных подсыпок из непучинистых грунтов (крупный песок, гравий, щебень).

12.3.7

Физико-химические противопучинные мероприятия сводятся к специальной обработке грунта вяжущими, стабилизирующими веществами или насыщению грунта солевыми растворами. Гидрофобизацию грунтов производят посредством обработки его экологически чистым веществом (полимером) при определенных гидротермических условиях.

12.3.8

При необходимости в проекте следует предусматривать проведение наблюдений (мониторинга) для обеспечения надежности и эффективности применяемых противопучинных мероприятий. Наблюдения должны проводиться за свойствами и глубиной промерзания грунта, деформациями сооружений в предзимний, зимний и весенний периоды. Состав и режим наблюдений определяют в зависимости от сложности инженерно-геокриологических условий, типов применяемых фундаментов и потенциальной опасности процессов морозного пучения на осваиваемой территории.

13.1.1

На застраиваемой и застроенной территориях в районах распространения многолетнемерзлых грунтов необходима инженерная защита от имеющихся природных наледей (см. таблицу 13.1). Опасность наледеобразования возникает при нарушении режима поверхностных и подземных вод в ходе строительства и эксплуатации зданий и сооружений. К наледеобразованию приводят аварийные сбросы бытовых и промышленных вод в зимний период. Инженерную защиту от наледеобразования применяют, как правило, для железных и автомобильных дорог, трубопроводов, линий связи, ЛЭП, жилых зданий, промышленных зданий и сооружений, городской территории, объектов горнодобывающей промышленности.

Таблица 13.1

13.1.2

При выборе и проектировании мероприятий по инженерной защите следует руководствоваться классификацией наледей по размерам, приведенной в таблице 13.1, а также происхождением наледей:

наледи поверхностных вод - речных, озерных, талых, снеговых, сброса промышленных и бытовых вод;

наледи подземных вод - сезонно-талого слоя, сквозных и несквозных таликов (грунтово-фильтрационных и напорно-фильтрационных) и их комбинации;

наледи смешанного типа - вод поверхностного и подземного происхождения (речных и грунтовых и глубокого подмерзлотного стока).

13.2.1

Размеры наледей на местности и их развитие, режим наледеобразования в природных условиях определяют по результатам инженерно-геологических изысканий согласно [5], изучения аэро- и космоснимков, топокарт, фондовых материалов, опросных сведений, при необходимости - стационарных наблюдений и изучения наледеобразовательных процессов для конкретной мерзлотно-гидрогеологической обстановки.

13.2.2

Прогнозирование наледеобразовательных процессов для разработки способов активного целенаправленного управления и снижения или полного исключения негативного воздействия наледей на инженерно-хозяйственные сооружения проводят исходя из:

причин их возникновения;

местонахождения источника питания наледи и его мощности;

характера перераспределения вышедших на поверхность подземных вод в пределах ложа наледи;

разрыва сплошности в кровле наледи (наледные бугры, воронки, система трещин);

режима роста наледи;

особенностей динамики формирования и разрушения в годовом и многолетнем циклах;

результатов теплотехнических расчетов;

планирования мест расположения водозаборных скважин;

выбора режима водозаборных скважин, одновременно используемых для хозяйственных нужд и уменьшения размеров и даже полной ликвидации наледеобразовательных процессов.

13.2.3

Расчет и прогноз мест расположения и размеров наледей проводят по данным режимных наблюдений на типичных наледях района строительства. Выбор проектных решений, сочетания различных методов защиты сооружений от воздействия процессов наледеобразования определяют в зависимости от размеров наледи, расстояния от места выхода наледеобразующих вод до сооружения, рельефа местности.

13.2.4

Расчет и прогноз объема, площади и толщины льда наледей подземных вод следует проводить по региональным эмпирическим формулам в зависимости от значений глубины промерзания и уровня подземных вод, полученных в ходе режимных наблюдений.

13.2.5

Объем наледи подземных вод V, м3, при наличии фиксированного на местности источника (ключевая) определяется по формуле

V = aQt, (13.1)

где a - эмпирический коэффициент, принимаемый равным 1,25;

Q - дебит источника, м3/сут;

t - продолжительность периода наледеобразования, сут.

Формула (13.1)

V = aQt, (13.1)

где a - эмпирический коэффициент, принимаемый равным 1,25;

Q - дебит источника, м3/сут;

t - продолжительность периода наледеобразования, сут.

V = aQt (13.1)

где a - эмпирический коэффициент, принимаемый равным 1,25;

Q - дебит источника, м3/сут;

t - продолжительность периода наледеобразования, сут.

13.2.6

Прогноз и расчет наледей поверхностных речных и талых снеговых вод может быть осуществлен по климатическим и гидрологическим данным ближайшей метеостанции и гидропоста с обязательным обследованием защищаемого участка расположения сооружения.

13.2.7

При проектировании инженерной защиты сооружений от воздействий процессов наледеобразования следует учитывать прямое воздействие наледи на поверхности инженерных сооружений (дорожного полотна, откосов выемок, мостовых переходов, зданий и участков территорий, непосредственно примыкающих к ним). Кроме того, следует учитывать воздействие на сооружения наледеобразующих и талых наледных вод, бугров пучения по периферии наледи, ледяных (наледных) бугров.

13.2.8

Расположение сооружений на участках с возможными наледями площадью более 1 км2 (категорий V и VI) экономически нецелесообразно.

При возникновении необходимости проектирования защитных мероприятий от воздействия наледей категорий V и VI должны быть проведены теплотехнические и технико-экономические расчеты.

13.3.1

Для инженерной защиты зданий и сооружений от наледеобразования применяют следующие сооружения и мероприятия и их сочетания:

сооружения для свободного пропуска наледи через зону защищаемого сооружения;

безналедный пропуск водотоков;

сооружения для задержания наледи выше защищаемого сооружения;

прямое воздействие на режим подземных вод (водопонижение).

При выборе методов защиты предпочтение должно отдаваться приемам и конструкциям долговременного постоянного действия.

13.3.2

Свободный пропуск наледи через зону искусственного сооружения применяют в районах развития средних и крупных наледей подземных вод (категорий III и IV), когда применение других мероприятий невозможно или экономически нецелесообразно. Для свободного пропуска наледи, как правило, сооружается мост с отверстием, которое должно быть рассчитано на пропуск всего объема паводковых и наледеобразующих вод по поверхности льда.

13.3.3

Безналедный пропуск водотоков применяют для защиты сооружений от воздействий средних и больших наледей поверхностных и подземных вод (категорий III и IV). Этот способ предусматривает сосредоточение водотока на подходах к защищаемому сооружению (часто это водопропускные сооружения) и создание оптимального теплового режима в зимнее время. Данный метод включает в себя следующие мероприятия: концентрация потока поверхностных вод, спрямление и углубление русла, утепление водотока поверхностных и подрусловых вод, использование лотков различного типа (открытых, закрытых, утепленных), перехват и отвод подземных вод с помощью дренажных систем и каптажа источников, фильтрующие насыпи из крупнообломочного грунта.

Выбор мероприятий по безналедному пропуску наледеобразующих вод производят на основании теплотехнического расчета из условия пропуска воды в течение всего зимнего периода без ее замерзания.

13.3.4

Мероприятия по задержанию наледи выше сооружения сводятся к искусственному ее формированию на безопасном расстоянии от него.

Удерживающие сооружения и мероприятия применяют на поверхностных водотоках с малыми расходами воды и низкой ее температурой, при неглубоко залегающих грунтовых водах и в местах выхода источников подземных (грунтовых) вод небольшого дебита (наледи категорий I и II).

13.3.5

К удерживающим мероприятиям и устройствам относятся: противоналедные валы, заборы, водонепроницаемые экраны, мерзлотные пояса, наледные пояса, резервные выемки и бассейны в стороне от защищаемого сооружения, рассчитанные на максимальный объем наледи.

Противоналедные валы могут быть земляными, ледогрунтовыми, снежными, ледяными; заборы - деревянными, бетонными.

Водонепроницаемый экран представляет собой траншею, заполненную нефильтрующим (глинистым) грунтом. Экран устраивают в узких долинах в комбинации с противоналедными валами и заборами поперек движения наледеобразующих вод на некотором удалении от сооружения.

Мерзлотный пояс состоит из комбинации канавы и вала выше наледи. Сечение канавы должно обеспечить промерзание грунта до водоупорного слоя в начале зимнего периода (до появления наледи). Глубина канавы должна быть не менее 0,6 м, ширина по дну - не менее 0,5 м. Вал, параллельный канаве, осуществляет непосредственное задержание наледи.

Мерзлотные пояса рациональны при глубине залегания водоупора не более 2,5 - 3,0 м. В качестве мерзлотного пояса эффективна льдогрунтовая завеса, устраиваемая из сезонно-действующих парожидкостных термосифонов, заглубленных до верхней поверхности мерзлых грунтов.

Наледный пояс - выровненная площадка, вымощенная камнем, на которой поверхностный поток (малый водоток, ручей) растекается и быстро промерзает, промерзает и подрусловой поток. Размеры площадки определяют теплотехническим и гидравлическим расчетами. Наледный пояс сооружают обычно в комбинации с земляным валом, забором.

Противоналедные щиты предназначены для предохранения водопропускных труб и небольших мостов от воздействия наледи. Щиты представляют собой сборные деревянные конструкции, закрывающие входное отверстие водопропускного искусственного сооружения в зимний период.

13.3.6

Утепление грунта с помощью теплоизоляционных материалов (снег, торф, опилки, стружка, геотекстиль, пеноплэкс и др.) применяют для уменьшения глубины сезонного промерзания и недопущения достижения им уровня грунтовых вод (наледи грунтовых вод категорий I и II). Возможно применение этого метода также для задержки промерзания речных вод (наледи речных вод и наледи смешанных типов категорий I и II).

13.3.7

При возникновении наледи на участке железной или автомобильной дороги (чаще всего в выемках) возможно применение откачки грунтовых вод из скважин с целью исключения формирования наледи. Этот метод экономически целесообразен, если качество и дебит грунтовых вод позволяют устроить местный водозабор.

13.3.8

Мероприятия по механическому и тепловому разрушению наледи при необходимости восстановления эксплуатационных условий работы сооружения не должны проводиться регулярно - это экономически и технически нецелесообразно. Необходимо использовать противоналедные мероприятия постоянного типа.

13.3.9

В проектах сооружений и мероприятий инженерной защиты от наледеобразования следует предусматривать ежемесячное проведение наблюдений (мониторинг) в зимний период. На наледях подземных вод с фиксированными на местности источниками измеряют их дебит и температуру воды в осенне-зимний период. На наледях грунтовых вод измеряют соотношение глубины сезонного промерзания и уровня грунтовых вод. На речных наледях измеряют расход стока наледеобразующих вод и следят за смещением мест выхода этих вод.

При превышении параметров, учитываемых в проекте, следует предусматривать соответствующие мероприятия.