При эксплуатации жилых и промышленных зданий, имеющих внутри положительные температуры, происходит передача тепла на грунт, которое вызывает постепенное оттаивание мерзлых грунтов основания. Поэтому при строительстве зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах необходимо применять специальные методы устройства фундаментов.
В зависимости от свойств вечномерзлых грунтов, а также конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений строительство может вестись исходя из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений.
Принцип 1 — грунты основания используются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения (метод сохранения вечной мерзлоты).
Принцип 2 — грунты основания используются в оттаивающем состоянии, которое происходит в процессе эксплуатации зданий и сооружений, и в оттаявшем состоянии, которое произошло до начала строительства.
Принцип 1 может применяться для устройства фундаментов на любых мерзлых грунтах. Его целесообразно применять при значительной мощности мерзлого слоя (от 15 м и более), при устойчивом температурном режиме.
Сущность его заключается в том, что конструкция здания и метод устройства фундаментов позволяют уменьшить передачу тепла на грунт и сохранить грунты основания в мерзлом состоянии.
Для этой цели в здании устраиваются проветриваемые подполья высотой не менее 0,7—1 м (рис. 162—163), которые проветривают зимой и закрывают летом.
В промышленных зданиях с повышенным тепловыделением (котельные, горячие цехи и др.) иногда устраиваются неотапливаемые первые этажи.
Для промышленных зданий большой площади применяются подземные охлаждающие устройства в виде систем труб, каналов с газообразными или жидкостными хладоносителями.
Водопроводные, теплофикационные и канализационные сети укладываются в галереях, при этом устраивается тщательная термоизоляция труб и особенно вводов в здания.
Все работы, связанные с устройством фундаментов, рекомендуется проводить в зимнее время при отрицательных температурах. В летний период необходимо обеспечить сохранение мерзлого состояния грунта.
Второй принцип состоит в приспособлении конструкции фундамента и самого сооружения к неравномерным осадкам грунтов основания при их оттаивании и включает два метода: 1) конструктивный, который заключается в приспособлении фундаментов и надфундаментных конструкций к осадкам, возникающим при оттаивании грунтов в процессе эксплуатации зданий;
2) предпостроечного оттаивания и упрочнения основания.
В процессе эксплуатации здания под воздействием теплового обмена в пределах некоторой зоны происходит оттаивание грунта. Эта зона называется чашей оттаивания и может быть различных размеров. Учитывая, что протаивание под зданием может достигать больших величин и происходить неравномерно, по этому методу фундаменты возводятся на крупнообломочных или песчаных грунтах, которые при оттаивании под нагрузкой уплотняются, а не выдавливаются из-под подошвы фундамента и имеют предельное давление не ниже 1 кг/см2.
При проектировании здания определяют возможную осадку и в зависимости от ее величины применяют такие конструкции зданий, которые обеспечивают прочность их при неравномерных осадках. Для этого здания проектируются небольшими в плане и простыми по форме, устраиваются осадочные швы, применяются железобетонные пояса, в ряде случаев в уровне верхнего обреза фундаментов и на уровне окон предпоследнего этажа.
Второй метод рекомендуется для небольшой мощности мерзлых грунтов под подошвой сооружения (не более 5—7 м) и при залегании мерзлого грунта в виде отдельных островов. Если несущая способность оттаявших грунтов недостаточна, их нужно укрепить искусственно.
Оттаивание мерзлых грунтов может проходить естественным путем (под воздействием солнечного тепла), а также искусственным с помощью гидравлического или парового обогрева.
Для гидравлического оттаивания грунта строительную площадку, ограниченную валом, нужно залить слоем воды толщиной 2—3 м.
Для парового оттаивания в качестве источника пара применяют паровой котел. Пар вводится в грунт с помощью паровых игл. Таким способом удается оттаивать мерзлый грунт на глубину до 10 м. Фундаменты зданий, возводимых по этому методу, должны устраиваться с учетом особенностей талых грунтов.
Деревянные здания на маловлажных непучинистых грунтах, находящихся в мерзлом состоянии, устраивают на деревянных «стульях», подобных изображенному на рис. 89, а, или на «городках», т. е. на клетках, сложенных из трех-четырех рядов коротких отрезков бревен (рис. 164).
Для. многоэтажных зданий наиболее целесообразны железобетонные столбчатые фундаменты, имеющие меньшие поперечные сечения, чем ленточные. Вследствие этого в грунт проникает меньше тепла и он лучше сохраняется в мерзлом состоянии. В Норильске 3—4-этажные здания успешно строятся на железобетонных сваях, опущенных в буровые скважины. Сваи вмораживаются в грунт, не оттаивающий и летом.
Применение свай для устройства фундаментов в вечномерзлых грунтах значительно возросло в последние годы и показало надежность и экономичность подобных конструкций.
На рис. 165 показаны свайные фундаменты под промышленное здание с устройством проветриваемого подполья.
Погружение свай производится или в предварительно пробуренные скважины, в которых сваи после погружения заливаются шлаком, или в предварительно оттаянный грунте помощью паровой иглы.
После вмерзания в грунт свая приобретает высокую несущую способность и обеспечивает устойчивость зданий.