N4, 2001

ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДОВ УСИЛЕНИЯ ОСНОВАНИЙ АРХИТЕКТУРНЫХ ПАМЯТНИКОВ СЕВЕРА И СИБИРИ

И. И. САХАРОВ, А.Е. ЗАХАРОВ

САХАРОВ Игорь Игоревич - д.т.н., профессор кафедры геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, член РНК МГиФ.

Основные направления научной деятельности - исследования НДС системы "фундамент - основание" при структурных и объемных изменениях в грунтах, связанных с замерзанием, оттаиванием и инъекционными процессами. Автор более 50 опубликованных работ.

ЗАХАРОВ Алексей Евгеньевич - инженер.

Основное направление научной деятельности - теплофизика промерзающих и оттаивающих грунтов.


Как известно, около 25% всей суши земного шара занимают многолетнемерзлые грунты. Эти грунты составляют более 60% территории России, существенные части Аляски и Канады. К настоящему времени в указанных районах имеется большое количество капитальных зданий, некоторые из которых построены более 1 – 2 веков назад. Часть зданий за длительный период существования подверглись тем или иным деформациям, однако большинство из них в настоящее время представляет немалую историческую и архитектурную ценность. Только в одном Якутске такими памятниками являются здание бывшей воеводской канцелярии, Троицкий собор, гостиный двор и другие. На Аляске и в Канаде самыми большими капитальными строениями являются здания церковных миссий, корпусов связи и школ.

Большинство старых зданий в северных районах возводились на естественном  основании, по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов. Здания на свайных фундаментах стали строиться только после 2-й мировой войны. Однако несмотря на накопленный опыт и совершенствование типов фундаментов аварийность зданий и сооружений, построенных на мерзлых грунтах в разное время непозволительно высока и продолжает расти. По отечественным данным число аварийных зданий в северных районах колеблется от 35 до 70% [ 1 ]. Зарубежный опыт (на примере северо-западной части Канады) также свидетельствует о большом количестве деформаций зданий [ 2 ].

Деформации объектов в районах с суровым климатом могут быть вызваны процессами промерзания (поднятие конструкций силами морозного пучения) и оттаивания мерзлых оснований. Для относительно тяжелых капитальных отапливаемых зданий, возведенных по методу сохранения мерзлого состояния грунтов,  наиболее ощутимые деформации связаны, в основном, с протаиванием оснований. К концу 90-х годов только в Якутске насчитывалось более 50 зданий, состояние которых было признано аварийным, что было констатировано МЧС РФ. Причиной катастрофических деформаций зданий являлось местное протаивание грунтов, инициированное локальными утечками из инженерных коммуникаций.

В настоящее время неоспоримым фактом является глобальное потепление климата. По разным данным рост среднегодовой температуры воздуха может достичь 0,1 град/год. Не подлежит сомнению, что это приведет к массовым деформациям зданий и сооружений, построенных на вечномерзлых грунтах по принципу сохранения мерзлого состояния основания. В связи с этим, закономерно ставить вопрос о методах усиления оттаивающих оснований зданий и сооружений, являющихся памятниками истории и архитектуры.

Основные приемы усиления оснований сводятся, как известно [3], к двум направлениям: изменению условий передачи давлений на грунт и увеличению прочности грунта с одновременным снижением его деформативности. При этом под изменением условий передачи нагрузок подразумевается уширение подошвы фундамента или пересадка его на сваи.

Очевидно, в условиях возможного оттаивания основания уширение подошвы фундамента не даст положительных результатов. Это связано с тем, что основная величина осадки при этом определяется коэффициентом оттаивания (не зависящем от давлений, а следовательно и размеров подошвы) и мощностью оттаивающего слоя.

При пересадке фундаментов на сваи их боковая поверхность в ходе оттаивания будет загружаться силами отрицательного трения. По мере оттаивания величина этих сил будет расти, а несущая способность свай, остающихся в еще не оттаявшем грунте, снижаться. Это будет вести к осадкам, что часто наблюдается на реальных объектах, построенных на свайных фундаментах  при поверхностном оттаивании, особенно если длина свай является небольшой. Следовательно, это способ, весьма дорогой и трудоемкий, может рассматриваться только как временное мероприятие.

Обращаясь ко второму направлению усиления, а именно к увеличению прочности грунта с одновременным снижением деформативности следует указать его особенности применительно к рассматриваемому случаю. Так, для пластичномерзлых грунтов это может быть реализовано при их дополнительном охлаждении [4].Такой же подход рекомендуется и в «Предложениях по оказанию необходимой помощи городу Якутску» и «Плане первоочередных мероприятий, намеченных по аварийно-восстановительным работам несущих конструкций и оснований домов в 1997 г.», составленных НИИОСП. Однако такой подход идет вразрез с глобальной тенденцией потепления и может принести только временный успех. О нецелесообразности мероприятий, направленных против естественных процессов указывалось еще в классической работе А.И.Дементьева [5].

 Увеличение прочности с одновременным снижением деформативности для талых грунтов достигается их закреплением. Существующие методы и технологии закрепления отработаны для крупнозернистых образований. Следовательно, грубодисперсный мерзлый грунт должен быть сначала оттаян, а затем закреплен. В этом случае возможна эффективная стабилизация оснований при использовании в качестве инъекционных растворов цементных суспензий [6].

Вместе с тем, осадки при предварительном искуственном оттаивании могут быть весьма велики и недопустимы для существующего здания. Отсюда следует, что усиление основания должно быть, как правило,  превентивным и закрепляться должны мерзлые, потенциально оттаивающие грунты. В результате закрепления грунт не должен в обозримом будущем претерпевать сколь-либо ощутимые деформации. Ликвидация последних применительно к мерзлым будет означать перевод их в талое состояние. Для предупреждения деформаций существующего здания оттаивание грунтов основания и их закрепление должны, очевидно, протекать одновременно. Подобная идея инъекционного закрепления связных грунтов, имеющих в мерзлом состоянии слоистую или ячеистую криогенную текстуру еще в 1971 г. была выдвинута И.В.Бойко [7].

Основная идея И.В.Бойко заключается в том, что при оттаивании ледяных включений связные грунты приобретают увеличенную фильтрационную способность (в 100 – 1000 раз). По мнению автора это позволяет закачивать в оттаявший грунт крепители типа жидкого стекла и хлористого кальция.

В проведенных И.В.Бойко полевых опытах тяжелый мерзлый суглинок подвергался закреплению жидким стеклом с помощью специального нагревателя-инъектора, опущенного в пробуренную скважину. Нагрев грунта и инъекция силиката производились в течение 10 суток. Опыт был завершен после инъекции хлористого кальция и последующего 5-суточного прогрева с целью активизации гидротермальных процессов окаменения грунта. Образовавшийся в результате 2-х растворной инъекции и прогрева грунт обладал камнеподобными свойствами и прочностью 0,3 – 0,5 МПа.

Весьма ценным в предложении И.В.Бойко является совмещение процессов оттаивания и закрепления. Однако несмотря на полученные результаты, изложенная методика закрепления имеет очевидные существенные недостатки. Они заключаются в большой длительности процессов (более 15 суток на одну скважину) и существенных расходах дефицитных силикатов и электроэнергии. Следует подчеркнуть, что упомянутое автором увеличение фильтрационной способности грунтов при оттаивании (до трех порядков) будет недостаточным для инъекции жидкого стекла при  действующих малых (до 2,5 атм) давлений. К тому же поры в грунте, образовавшихся при исчезновении ледяных включений будут быстро смыкаться при оттаивании, особенно если грунт загружен, то есть находится в основании не выведенного из напряженного состояния фундамента.

Недостатком рассматриваемого метода является также то, что для закрепления используется 2-х растворный способ. Известно, что хлористый кальций является сильным коагулянтом и при соединении с жидким стеклом очень быстро образует гель, что не дает возможности пропитки на большую глубину [ 8 ]. Очевидно, этой причиной и объясняется невозможность закачки в ходе опыта И.В.Бойко хлористого кальция в наполненный силикатом грунт. Перечисленные недостатки не позволяют рекомендовать способ [7] закрепления мерзлых грунтов в процессе их оттаивания в основаниях существующих зданий и сооружений.

С учетом настоящего уровня знаний, для усиления мерзлых  оснований, сложенных любыми грунтами,  возможно привлечение новых методов закрепления грунтов, таких как  метод гидроразрыва. Перевод основания в ходе закрепления из мерзлого состояния в талое может быть обеспечен за счет известных химических эффектов, в частности экзотермии твердеющих растворов[1] – в нижний колонтитул!

Как известно, при методе гидроразрыва под действием высоких давлений в связных грунтах образуются плоскостные трещины, заполняемые твердеющим раствором. Оптимальным для целей закрепления глинистых грунтов следует считать текстурный тип “А” [ 9 ], когда в грунте в плоскости манжетных отверстий образуется одна, полностью заполняемая раствором трещина.  Шаг этих растворных линз определяется шагом перфорации и может быть фактически любым.

Гидроразрыв в массиве происходит при равенстве локальных давлений в грунтах их условно-мгновенной прочности на разрыв. По различным экспериментальным данным эта прочность для мерзлых грунтов, зависящая от типа грунта и величины отрицательной температуры, при величине последней до –10оС не превышает 2,65 Мпа [10].Таким образом, гидроразрыв мерзлых грунтов вполне осуществим, так как известные установки способны развивать в выходном отверстии манжетной трубы сосредоточенные давления вплоть до 10 МПа. В тщательно выполненных лабораторных опытах с  глинами при температуре –1оС для возникновения гидроразрыва было достаточно давлений инъекции в 0,6 МПа [11].

Однако разрыв мерзлого грунта является лишь необходимым условием закрепления основания. Непосредственно после устройства в породе разрыва в него производится закачка раствора, который должен затвердевать. В окончательном виде основание в зоне инъекции должно быть оттаявшим, уплотненным и закрепленным растворными прожилками. Следовательно, важным явится практически полный перевод грунта в пределах заданного объема в талое состояние. Эта задача должна решаться попутно с твердением раствора, в основном за счет выделяемого им тепла.

Известно, что если раствор замерзает в раннем возрасте, то при отрицательных температурах он не набирает прочности, а наоборот, идет разуплотнение структуры [12].  В связи с этим, твердение бетонов или  растворов при температурах ниже 0оС обычно обеспечивается созданием в смеси некоторого запаса теплоты, достаточного для поддержания положительной температуры на начальной фазе твердения. Обязательным является также введение в смесь противоморозных добавок, понижающих температуру замерзания воды.

Если вода в цементном растворе находится в жидком состоянии, то при гидратации цемента выделяется тепло. Во многих случаях явление экзотермии рассматривается как вредное, особенно при бетонировании при низких температурах массивных гидрообъектов, так как саморазогрев бетона ведет к развитию в сооружениях больших термических напряжений и появлению трещин.   Однако присутствие экзотермии положительно сказывается на твердении в зимних условиях относительно небольших монолитных конструкций.

Тепловыделение сильно зависит от вида цемента, а также присутствия в смеси различных добавок. Наибольшим тепловыделением при гидратации обладают алит и трехкальциевый алюминат. Так, тепловыделение при полной гидратации алита С3S   может достигать 500 кДж/кг, для трехкальциевого алюмината С3А величина тепловыделения будет еще большей [ 13 ]. Между тем, теплота льдообразования равна 333 кДж/кг, и следовательно, принципиальная возможность оттаивания ледяных включений за счет экзотермии твердеющих растворов может быть реализована даже для сильнольдистых грунтов. В связи с этим, при постановке задачи оттаивания грунта в качестве инъекционных следует   предусматривать растворы с высоким содержанием перечисленных минералов, а также с противоморозными добавками и ускорителями твердения, вызывающими усиленное тепловыделение.

Для выяснения особенностей распространения температурных полей в мерзлых грунтах, контактирующих с твердеющими растворными прослойками, в СПбГАСУ были проведены предварительные лабораторные эксперименты. Цилиндрические образцы суглинков диаметром 6,5 см и высотой 10 см с суммарной льдистостью 0,2 – 0,4 при постоянной температуре в морозильной камере –2оС нижней поверхностью приводились в контакт со слоем цементного раствора толщиной 1 см. В качестве цемента использовался обычный портландцемент М 400, противоморозной  добавки - хлористый кальций.    Температуры твердеющего раствора и образца в разных точках по высоте измерялись с помощью терморезисторов.

Опыты показали, что при добавке в раствор 3% СаСl2 (от массы цемента) спустя 3 – 3,5 часа наблюдается полное оттаивание образца, при этом температура грунта в точке, отстоящей от цементной линзы на 8 см может достигать +1,5оС и более. Температура раствора остается положительной в среднем в течение 8 часов, в связи с чем до начала замерзания в растворной прожилке формируется плотная структура без признаков морозной деструкции. Такая структура обеспечивает дальнейший   набор прочности растворного образования даже при отрицательных температурах.

Проведенные с использованием самых дешевых и распространенных материалов  опыты доказывают принципиальную возможность оттаивания мерзлых грунтов за счет экзотермии твердеющих растворов при отрицательной температуре окружающей среды. Следует подчеркнуть, что при введении в мерзлое основание раствора методом гидроразрыва задачи оттаивания грунта и его упрочнения будут решаться одновременно.

Предлагаемый метод стабилизации оснований предусматривает перевод мерзлого грунта в талое состояние с одновременным его упрочнением. Очевидно, для исключения осадок при последующем оттаивании гидроразрывное закрепление изначально мерзлого основания должно производиться на глубину, ниже которой за весь срок существования сооружения оттаивание не будет иметь места. Это означает, что такому закреплению должен предшествовать теплотехнический расчет, учитывающий возможность поступления в грунт прогнозируемого количества тепла. Вместе с тем, с учетом того, что метод гидроразрыва позволяет осуществить контролируемый расчетом подъем фундаментов, закрепление грунта на глубину свыше 8 – 10 м, очевидно, не будет являться необходимым. В наиболее распространенных случаях локальное закрепление под фундаментами на глубину порядка 4 – 6 м приведет к резкому увеличению жесткости подземного контура и возможные осадки при оттаивании грунта ниже зоны закрепления не будут опасны для здания.

Расчетное обеспечение предлагаемого метода, после установления требуемой глубины закрепления, должно быть направлено на решение вопросов перевода намеченной части мерзлого грунта в талое состояние. Это требует  решения теплофизических задач разной размерности, когда «запас холода» в заданном объеме должен быть ликвидирован за счет поступления тепла экзотермии растворов принятого состава. В результате решения этих задач устанавливается количество разрывов в плане и по глубине,  а также  общий объем раствора.

НДС системы «закрепляемое основание – сооружение» при эффективной работе искусственных дренажей в первом приближении может оцениваться как квазистационарное по методике, изложенной в [14] для двух состояний грунта – мерзлого и талого. В наиболее строгой постановке эти задачи следует рассматривать как нестационарные с возможным дополнительным учетом переноса образующейся при таянии льда влаги. Значительное количество последней может связываться в процессе твердения некоторыми растворами (например, на основе глиноземистого цемента).

Очевидно, с помощью предлагаемого метода закреплению с одновременным оттаиванием могут подвергаться также не только вечномерзлые, но и искусственно промороженные грунты, в том числе и основания зданий-холодильников, возведенных в любых климатических зонах. Температура грунтов в этом случае может быть весьма низкой. Это создаст трудности при разрыве грунтов, а также может привести к значительному подъему фундаментов при инъекции ввиду малой деформируемости элементов мерзлого массива между разрывами.

Для успеха закрепления и перевода в талое состояние твердомерзлых грунтов с помощью предлагаемого метода целесообразным может явиться предварительный прогрев закрепляемой толщи без ее протаивания. Оптимальными для гидроразрыва и инъекции следует считать температуры от –2 до –0,5оС.  При этом следует иметь ввиду, что теплоемкость мерзлого грунта всегда существенно ниже теплоты плавления льда и следовательно нагрев грунта на несколько градусов с переводом его из твердомерзлого в пластичномерзлое состояние потребует относительно небольшой затраты энергии [15].  

В заключение отметим, что оттаивание мерзлых грунтов за счет экзотермии внедряемых в них растворов при определенных обстоятельствах может рассматриваться как способ подготовки оснований по II принципу. Существующие в настоящее время способы предварительного оттаивания для связных грунтов обязательно должны дополняться их последующим уплотнением, что тормозит их широкое внедрение в практику строительства. Изложенный метод, как уже отмечалось, характерен сочетанием оттаивания с уплотнением и закреплением.

ЛИТЕРАТУРА

1. К вопросу о мерзлотной службе//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1988, № 5.

2.Дж.А.Пилайнен. Строительство фундаментов зданий на постоянномерзлых грунтах долины реки Макензи в северо-западных территориях Канады/Мерзлые породы Аляски и Канады.М. 1958.

3. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты.Л. 1988.

4. Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.П., Емельянова Л.В. Надежность и долговечность оснований инженерных сооружений на вечномерзлых грунтах в условиях глобального потепления климата//Основания, фундаменты и механика грунтов, 1993,№ 3.

5. Дементьев А.Н. Деформации зданий, вызываемые мерзлотными процессами и их ликвидация.М. 1967.

6. Максимов Г.Н. Опыт и перспективы применения укрепления грунтов в районах вечной мерзлоты/Тр. Совещания по теор. Основам техн. Мелиорации грунтов.МГУ. 1961.

7.  Бойко И.В. Закрепление льдистых текстурированных грунтов жидким стеклом/Мат. VII Всес.совещ. по закр. И упл. Грунтов. Л. 1971.

8.    Жинкин Г.Н., Калганов В.Ф. Закрепление слабых грунтов в условиях Ленинграда. Л. 1967.

9.    Сахаров И.И., Аббуд М. Экспериментальные исследования закрепления крупноразмерных образцов грунтов высоконапорной инъекцией/Докл. 57 научн. Конф. СПбГАСУ, Ч. I, 2000.

10. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М. 1973.

11. Ершов Э.Д. и др. Экспериментальные исследования инъекционного льдовыделения в дисперсных породах/Геокриологические исследования. МГУ, 1986.

12. Шугалей Р.Т. Специальные вопросы закрепления грунтов в гидроэнергетическом строительстве на Севере/ИМГТ-88. Матер. конф. и совещ. по гидротехнике.Л.1989.

13. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. Л.-М., 1966.

14. Сахаров И.И., Аббуд М. Гидроразрывной метод закрепления оснований эксплуатируемых зданий и соружений. Геотехника:наука и практика. Сб. научн. Тр.Междунар. конф. По соврем. Пробл. Мех. Грунтов и фунд. СПб., 2000.

15. Сахаров И.И. Физикомеханика криопроцессов в воде и грунтах и акустическая эмиссия.СПбГАСУ.СПб.1994.


[1] Впервые высказано И.И.Сахаровым на межрегиональном семинаре “Актуальные вопросы монолитного домостроения”(Дом Архитектора в Санкт-Петербурге,  октябрь 2000 г.)