Свайно-винтовые фундаменты в условиях вечной мерзлоты / сезонно-мерзлых грунтов

Особенности мерзлых грунтов и их влияние на фундамент

Мерзлые грунты представляют собой сложную систему из минеральных частиц, воды, льда и газа. В зависимости от температуры и состава они могут вести себя как твёрдое тело или как пластичный материал. Вечномерзлые грунты сохраняют отрицательные температуры в течение всего года, а сезонно-мерзлые — промерзают и оттаивают в верхнем слое толщиной до 2 м. Основной фактор, влияющий на устойчивость фундамента, — изменение объёма при переходе воды в лёд и обратно. При замерзании влажного грунта происходит увеличение объёма на 8–12 %, что вызывает подъём и деформацию основания.

В районах с сезонным промерзанием (Московская и северные области) критическая глубина промерзания составляет 1,4–1,6 м. В условиях вечной мерзлоты Якутии, Чукотки и ЯНАО — от 2 до 4 м и более. Для винтовых свай это означает необходимость расчёта глубины установки ниже слоя сезонных колебаний температуры, чтобы исключить воздействие сил морозного пучения и неравномерного оттаивания.

Принцип работы свайного фундамента на мерзлых грунтах

Винтовая свая передаёт нагрузку от сооружения через лопасть на плотный грунт, минуя слабые слои. При установке ниже зоны сезонного оттаивания сохраняется стабильное состояние основания в течение года. Конструкция воспринимает вертикальные, горизонтальные и выдёргивающие силы без потери несущей способности. При отрицательных температурах замёрзший грунт увеличивает сопротивление по боковой поверхности сваи, повышая её устойчивость. Однако при оттаивании этот эффект исчезает, что требует дополнительного запаса прочности и специальных мероприятий по защите мерзлого слоя.

Нормативные основы проектирования

Проектирование свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах регулируется разделами СП 24.13330.2011 («Свайные фундаменты»), СП 25.13330.2012 («Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах») и ГОСТ 5686-2020 («Методы полевых испытаний сваями»). В соответствии с п. 7.2.96 СП 24.13330.2011 расчёт несущей способности выполняется с учётом начального напряжённого состояния массива и коэффициента переуплотнения OCR. Основание должно сохранять стабильность при циклическом промерзании и оттаивании, а конструкция свай — обладать повышенной стойкостью к хрупкому разрушению при отрицательных температурах.

Для стальных винтовых свай применяются материалы с гарантированной ударной вязкостью при –40 °C: стали марок 09Г2С, С245, Ст3сп по ГОСТ Р 59106-2020. В районах Крайнего Севера рекомендуется использование изделий с горячим цинкованием или порошковым полимерным покрытием, защищающим от электрохимической коррозии в переувлажнённых слоях.

Расчёт несущей способности и глубины установки

Несущая способность свай в мерзлых грунтах определяется по результатам полевых испытаний или расчётным зависимостям. Основная особенность — увеличение сопротивления при отрицательной температуре за счёт замерзания поровой воды. Для расчёта используется выражение:

R = Rb·Ab + α·u·l

где Rb — сопротивление под лопастью, Ab — площадь лопасти, α — коэффициент адгезии замёрзшего грунта к стали (до 200 кПа), u — периметр ствола, l — длина заглублённой части. Для вечномерзлых грунтов значение α может быть в 3–5 раз выше, чем для талых, однако при возможном оттаивании необходимо учитывать переход в неустойчивое состояние и снижать расчётное сопротивление с коэффициентом 0,5–0,7.

Глубина установки определяется положением нижней границы сезонного оттаивания. Для вечномерзлых участков — на 0,5 м ниже неё, для сезонно-мерзлых — не менее 0,3 м. Минимальная глубина погружения свай в Московском регионе — 2,0 м, в Якутии — 3,0–3,5 м. Учитывается также наличие водоносных горизонтов, так как при их оттаивании возможны подвижки грунта.

Мероприятия по обеспечению устойчивости свай

При проектировании фундаментов на мерзлых грунтах применяется комплекс инженерных решений, направленных на сохранение температурного режима основания:

• устройство вентилируемого подполья между ростверком и поверхностью грунта, исключающее тепловое воздействие здания на мерзлый слой;
• применение свай с увеличенной длиной и лопастью для передачи нагрузки на стабильные горизонты;
• термоизоляция грунта вокруг свай с использованием экструзионного пенополистирола толщиной 50–100 мм;
• установка свай с защитным покрытием, предотвращающим сцепление с пучинистыми слоями;
• устройство дренажной системы для отвода талых вод и снижения увлажнения.

Дополнительно используется обсыпка щебнем фракции 20–40 мм вокруг верхней части сваи, что снижает силы морозного пучения и облегчает деформацию при температурных колебаниях. Для зон с сильным ветром и снежными заносами предусматривается ростверк на высоте не менее 0,4 м над поверхностью грунта.

Термическая стабилизация мерзлого основания

В районах вечной мерзлоты применяется технология пассивного охлаждения грунта с помощью термосифонов — вертикальных труб, заполненных фреоном или аммиаком. При понижении температуры воздуха рабочее вещество испаряется в нижней части и конденсируется в верхней, отдавая тепло наружу. Это позволяет сохранять мерзлый слой под фундаментом даже при эксплуатации здания с тепловым воздействием. Расчёт систем стабилизации выполняется по методике СП 25.13330.2012.

Для объектов временного назначения допускается упрощённый вариант — теплоотражающий экран из алюминиевой фольги или оцинкованного листа под ростверком, предотвращающий прогрев грунта солнечным излучением. В зимний период рекомендуется снегоудаление вблизи фундамента для сохранения отрицательных температур основания.

Антикоррозионная и механическая защита свай

Мерзлые грунты часто содержат агрессивные соли, сульфаты и органику, ускоряющие коррозию стали при сезонных оттаиваниях. Поэтому все элементы свай должны иметь двойную защиту: грунтование фосфатирующим составом и покрытие эпоксидной эмалью или горячим цинком. Толщина слоя не менее 120 мкм, контроль проводится магнитным толщиномером по ГОСТ 31993. Для свай, устанавливаемых в болотистых зонах, допускается применение полимерных защитных муфт или ПВХ-оболочек в верхней части.

Повышенные требования предъявляются и к механической прочности. При отрицательных температурах сталь теряет пластичность, поэтому сварные соединения выполняются полуавтоматической сваркой в среде защитного газа с последующим контролем ультразвуком. Допускается применение оголовков с механическим зажимом без сварки, что исключает локальные термические напряжения.

Монтаж свай в условиях отрицательных температур

Монтаж в зимний период возможен при температурах до –25 °C при условии предварительного рыхления или бурения направляющего отверстия. Используются установки с гидравлическим или редукторным приводом, обеспечивающие момент 5000–7000 Н·м. При завинчивании в мерзлый грунт допускается кратковременный прогрев наконечника сваи газовой горелкой для снижения сопротивления первому обороту. Важно исключить перегрев металла и нарушение структуры покрытия.

Контроль вертикальности выполняется лазерным нивелиром или инклинометром. Допускаемое отклонение от вертикали — не более 1°. После установки проводится проверка крутящего момента и глубины погружения, фиксируемая в журнале монтажа. При необходимости выполняется обварка оголовков с последующей окраской ремонтным составом ЭП-140.

Испытания свай в мерзлых грунтах

Испытания выполняются по ГОСТ 5686-2020 в трёх вариантах: статические вдавливающие, выдёргивающие и горизонтальные. При температурах ниже 0 °C нагрузка прикладывается ступенчато с выдержкой 20–30 минут на каждой ступени для стабилизации деформаций. Испытание считается завершённым при достижении осадки не более 10 мм. Для многолетнемерзлых грунтов допускается оценка сопротивления по частным значениям предельно длительного сопротивления (приложение Ф ГОСТ 5686-2020).

Результаты испытаний используются для уточнения расчётных характеристик и определения коэффициента сезонной устойчивости. При выявлении значительных различий между зимними и летними данными принимаются дополнительные меры по стабилизации температуры грунта.

Примеры конструктивных решений

Для жилых и промышленных зданий на вечномерзлых грунтах применяются следующие типы фундаментов:

• свайно-винтовой фундамент с воздушным подпольем — ростверк приподнят над грунтом на 0,4–0,6 м, что исключает тепловое воздействие;
• фундамент с утеплённым ростверком — при необходимости теплого пола используется теплоизоляция ростверка и термосифоны под несущими рядами;
• комбинированный фундамент — винтовые сваи на плотных горизонтах и буронабивные элементы в талых слоях для восприятия горизонтальных нагрузок;
• модульная система — съёмные сваи с фланцевыми соединениями, удобные при временном строительстве в условиях Крайнего Севера.

Каждая схема подбирается индивидуально на основании инженерно-геокриологических изысканий. Расчёт выполняется с учётом изменения температурного режима и возможности частичного оттаивания в процессе эксплуатации.

Особенности эксплуатации и наблюдения

После монтажа рекомендуется организовать мониторинг состояния фундамента. Согласно СП 50-102-2003, наблюдения включают контроль осадок, наклонов и температуры грунта вблизи свай. Замеры выполняются не реже одного раза в сезон, а в первые два года — ежемесячно. При выявлении увеличения осадки или деформации более 5 мм проводится дополнительное обследование.

Эксплуатационные мероприятия включают очистку подполья от снега, поддержание вентиляции и контроль состояния покрытия свай. Ремонт выполняется локально — зачистка повреждённого участка и восстановление защитного слоя. При правильной эксплуатации и соблюдении температурного режима ресурс свайно-винтового фундамента в мерзлых грунтах составляет 50–70 лет.

Заключение

Свайно-винтовые фундаменты в условиях вечной и сезонной мерзлоты обеспечивают устойчивость зданий при минимальном воздействии на грунт. Их применение оправдано при строительстве жилых домов, ЛЭП, резервуаров, ангаров и инфраструктурных объектов. Ключевыми факторами долговечности являются выбор марки стали, правильное определение глубины погружения, термозащита основания и антикоррозионная защита. Соблюдение требований СП 24.13330.2011, СП 25.13330.2012, ГОСТ 5686-2020 и ГОСТ Р 59106-2020 гарантирует безопасную эксплуатацию сооружений в самых суровых климатических условиях. В сочетании с инженерным контролем температуры грунта