ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО СЕВЕРНОГО КЛИМАТА
АННОТАЦИЯ
Автором рассмотрены факторы, препятствующие активному освоению территории распространения многолетнемерзлых грунтов. Представлена информация об основных принципах и методах проектирования и строительства на вечномерзлых грунтах, а также о мероприятиях для обеспечения высокой несущей способности оснований и фундаментов зданий и сооружений. Описаны часто применяемые типы фундаментов и материалов для утепления ограждающих конструкций в условиях северных широт. Приведены модульные здания из блоков-контейнеров, как отдельный вид строительных объектов для Крайнего Севера.
Россия – северная страна, почти 2/3 которой находится в области вечной мерзлоты. Грунты и горные породы здесь находятся в постоянно мерзлом состоянии, оттаивая лишь на небольшую глубину летом (примерно на 1-3м) [1]. Исключительностью Российского Севера являются суровые климатические условия, которые становятся существенными преградами для строительства. Строительная инфраструктура здесь активно развивается с 30-х гг. XX в., со времени начала добычи полезных ископаемых в этом регионе. В сооружениях, возводимых на вечномерзлых грунтах без принятия особых, отличных от обычных условий, мер и методов, возникают совершенно недопустимые деформации, затрудняющие эксплуатацию сооружений и приводящие к их полному разрушению. Известны случаи обрушения неправильно построенных домов в Чите, а в Канаде, например, жителям пришлось покинуть целых два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли [2].
Инженерная геокриология, как отрасль геокриологии, занимается особенностями проектирования и строительства различных инженерных сооружений в зоне распространения вечномерзлых грунтов. Развитие ее началось в 20-х годах XX века благодаря стараниям таких ученых, как М.И. Сумгин, В.А. Обручев и В.И. Вернадский. Большой вклад внес Николай Александрович Цытович, который является основоположником инженерного мерзлотоведения, сформулировавший основные принципы механики мерзлых грунтов.
Рис. 1 Цытович Николай Александрович
Разработки, выполненные им в начале 30-х годов и позднее, привели к созданию нового научно обоснованного метода строительства с сохранением мерзлого состояния грунтов, усовершенствованный в дальнейшем учеными мерзлотоведами и конструкторами строителями. На основе этого метода в военное время, а особенно в послевоенные годы были возведены многие многоэтажные здания, промышленные предприятия в Якутске и в других местах. Так, благодаря Н.А. Цытовичу и другим ученым-мерзлотоведам были построены один из самых северных городов планеты Норильск и крупнейший в мире Норильский горно-металлургический комбинат. Под руководством этого выдающегося ученого кафедра механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ достигла больших успехов, и благодаря его работам и трудам других сотрудников она продолжает стремительно расти. [3]
При проектировании и строительстве зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах, выделяют 2 основных принципа использования этих грунтов в качестве оснований:
Как показывает практика, здания и сооружения в условиях Крайнего Севера строятся в основном по первому принципу, так как в мерзлом состоянии грунт имеет высокую несущую способность. В настоящее время при проектировании и расчете оснований и фундаментов зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах применяют несколько методов [4]:
В качестве варианта, предлагается использование грунтов оснований в вечномерзлом состоянии, как способ обеспечения их эксплуатационной пригодности и долговечности [5]. Технология метода заключается в организации мероприятий по уменьшению температуры грунтового основания до расчетных значений:
Основным типом фундаментов для вечномерзлых грунтов являются свайные фундаменты. Возможно использование свай следующих типов:
Но и они подвергаются разрушению под действием многих конструктивных и природных факторов: 1) неправильная планировка подполий и окружающей территории, не обеспечивающая отвода поверхностных, надмерзлотных и аварийных вод от фундаментов; 2) напорное давление надмерзлотных вод при промерзании грунта в начале зимнего периода; 3) образование трещин в сваях под действием температурных деформаций ростверков; 4) превышение расчетных напряжений в бетоне, значительно снижающее его морозостойкость.
Это привело к исследованию альтернативного типа фундаментов поверхностных вентилируемых пространственных фундаментов- оболочек. Они обладают рядом преимуществ, среди которых: совместимость функции несущей и охлаждающей грунт конструкции, что осуществляется посредством отсыпаемого на мерзлом основании промежуточного слоя; выполняемый из непучинистого материала промежуточный слой под пространственным фундаментом, значительно снижающий интенсивность криогенных процессов при тепловом и механическом взаимодействии зданий с мерзлым основанием; возведение фундаментов без нарушения мерзлотно-грунтовых условий на строительных площадках, что позволяет ликвидировать временной технологический разрыв, который необходим при устройстве свайных фундаментов.
Так, опыт эксплуатации четырехэтажного здания каркасно-панельного административно-бытового комбината (АБК), возведенного на фундаменте-оболочке монолитной конструкции на сильнольдистых высоко-температурных грунтах показал, что произошло не только промерзание промежуточного слоя, но и понижение температуры грунтов ниже его подошвы.
Рис.3. Часть строящегося здания АБК на поверхностном фундаменте- оболочке в г. Норильск
Верхняя граница вечной мерзлоты установилась на глубине 1,8 м. Средняя осадка фундамента-оболочки составила 2,1 см, что является хорошим результатом. А значит и поверхностные фундаменты являются прекрасным решением для суровых условий наших северных регионов. [9]
Возведение фундамента – не единственная проблема, с которой сталкиваются инженеры при строительстве зданий в условиях Крайнего Севера. Аномально низкая температура, сильные ветры и суровые метели – еще одна особенность северного климата. Для обеспечения максимального комфорта кварталы городов в таком случае строят замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, что позволяет значительно снижать скорость ветра.
При строительстве на вечномерзлых грунтах основным типом возводимого здания является здание каркасного типа. Высокая скорость монтажа – вот главное его достоинство. В связи с этим, элементы каркаса выполняют из сборного железобетона и металла, причем металлические конструкции более эффективны и обладают рядом преимуществ перед железобетонными. Так, это отсутствие мокрых процессов, которое дает возможность вести строительство при низких температурах без устройства тепляков, также меньшая нагрузка на фундамент, так как при равных эксплуатационных условиях здание из стального каркаса будет легче железобетонного. Элементы здания из металлического каркаса можно демонтировать, усиливать несущие конструкции полосами стали, в случае необходимости, производить модернизацию здания под новые требования производства, а повторное использование металла после демонтажа позволяет использовать его гораздо экологичнее и эффективней. [10]
Что касается ограждающие конструкции и теплоизоляции стен, то выполняют их из облегченных, утепленных панелей. Наилучшим решением во многих случаях является сэндвич- панель, которая имеет трёхслойную структуру, состоящую из двух листов жёсткого материала (металл, ПВХ, ДВП, магнезитовая плита) и слоя утеплителя между ними. Принцип сэндвич-технологии был описан ещё в 1950-х годах, однако активное применение сэндвич-панелей в строительстве в России началось лет через 30. Появление в России изделий, в которых в качестве утеплителя используется плита из каменной ваты, позволило эффективно решить проблему сохранения тепла. Производство в России панелей по западным технологиям с принятыми за рубежом классами точности (и соответствующих нормативам для нашего климата) сделало этот материал оптимальным выбором для строительства в районах с суровым климатом. В настоящее время индустриальными методами возводится подавляющая часть городов и посёлков Сибири и Дальнего Востока. [11] Важным элементом является теплоизоляция не только фундаментов, стен и кровли, но и светопрозрачных конструкций, и конструкции оконных блоков с заполнением инертными газами находят сегодня широкое применение в практике строительства на российском Севере. В частности, специальная программа по внедрению энергосберегающих окон действует в Красноярске. [11]
Рис.4. Крепление сэндвич панелей
Они очень популярны в условиях Крайнего Севера в силу своих многочисленных достоинств, а именно:
Рис. 5 Модульное здание г. Чита
Сегодня в условиях крайнего севера действует несколько десятков различных полярных станций, все они построены из модульных быстровозводимых зданий на свайном типе фундамента. Самым знаменитыми объектами являются станция «Арктический трилистник» на острове Земля Александры архипелага Земля Франца-Иосифа и военная база «Северный клевер», размещенная на о. Котельный архипелага Новосибирские острова.
Основываясь на приведенных выше сведениях, можно сделать вывод, что динамика строительства городов на Крайнем Севере будет расти, что подразумевает дальнейшее изучение данных территорий и подталкивает к проектированию и созданию новых типов фундаментов, более технологичных и менее энерго- и материалоёмких. Как вариант, поверхностных фундаментов, совмещенных с несущими и ограждающими модульными конструкциями, в силу компактности и большой жесткости последних.
Чем грозит потепление строительству на мерзлоте
Как известно, тренд потепления с градиентом около 0,6-0,7ºС за сто лет наблюдается уже второе столетие, и за последние десятилетия средняя температура воздуха в Российской Арктике местами повысилась на градус и даже более. Вот как на это прореагировали ландшафты: увеличилась пучинистость грунтов (свойство увеличивать объём при замерзании); активизировались процессы термокарста и термоденудации (разрушения рельефа в связи с оттаиванием); увеличилось количество криогенных оползней и интенсифицировалось вязкое течение грунта на склонах; увеличились темпы термоэрозии и оврагообразования; резко увеличились площади выгорания бореальных лесов с последующей деградацией вечной мерзлоты; разрушаются льдистые берега до 15 метров в год. Эти естественные процессы на огромных территориях усиливаются хозяйственной деятельностью человека, особенно при строительстве линейных сооружений большой протяжённости.
Очаговый характер освоения начинает сменяться фронтальным. Растёт аварийность геотехнических систем. По некоторым данным, криогенные факторы являются причиной 23% отказов технических систем и 29% потери добычи углеводородов. Это выпучивание колон, каркасов зданий, термокарстовые просадки, различные деформации сооружений и технических систем. Вдоль магистральных газопроводов происходит заболачивание, подтопление систем и, как следствие, всплывание магистральных газопроводов (см. фото заставки). Во многом это связано с экономией на изысканиях, устаревшими стандартами и нормами, с нарушением режима эксплуатации. Криогенные факторы разрушительны и для тёплых, и для охлаждённых трубопроводов. Серьёзные проблемы возникают при строительстве железных дорог и автодорог. Во всех городах, построенных на мерзлоте, растёт число разрушений и аварий.
Закрыли мерзлотные службы, нарушаются правила эксплуатации, а оттаивающая мерзлота делает своё дело. Это происходит из-за отсутствия системного подхода к проблеме, из-за сокращения специалистов с профессиональным геокриологическим образованием в проектных и изыскательских учреждениях, отступления от выработанных ранее подходов к освоению северных районов, стандартов изысканий, проектирования и строительства, утраты знаний и опыта. Продолжается увеличение масштабов освоения территорий с криолитозоной и одновременно ухудшение качества изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.
На территориях со сплошным распространением многолетнемёрзлых пород, к которым относится Арктическое побережье России, строительство сооружений осуществляется с использованием оснований по принципу I, т.е. с сохранением его мёрзлого состояния. При этом в качестве охлаждающего устройства используется вентилируемое подполье, а основного вида фундамента – сваи под тяжёлые сооружения и фундаменты на подсыпках под лёгкие сооружения, которые не выделяют тепла.
В большинстве случаев, из-за почти повсеместного распространения на Арктическом побережье засолённых мёрзлых грунтов и их высокой льдистости, они находятся в пластичномёрзлом состоянии. По наблюдениям, группы жилых домов в посёлках Амдерма, Диксон, Тикси, Певек продолжают деформироваться более пятидесяти лет. Поэтому расчёт оснований и фундаментов сооружений должен, по действующим нормативным документам, осуществляться как по несущей способности, так и по деформациям. Однако на практике это обязательное требование редко выполняется, что представляет собой одну из распространённых ошибок.
Кроме того, в расчётах оттаивания засолённых грунтов часто не учитывается фазовый переход грунтовой влаги в диапазоне отрицательных температур, а также увеличение периода оттаивания. Это приводит к уменьшению прогнозной глубины оттаивания и, как следствие, увеличенным осадкам фундаментов, что оказывается причиной деформаций сооружений.
Значительной проблемой являются на побережье снежные заносы. Многие посёлки в Арктике расположены на территориях со среднегодовой скоростью ветра более 6 м/сек. Застроенная территория представляет собой преграду на пути ветрового потока, и поэтому здесь отлагаются большие массы снега. Известны снежные завалы высотой до двух-трёх этажей и более. При этом снег, как правило, оказывает сильное отепляющее влияние, что также является причиной деформации сооружений. Для защиты от снежных заносов пока недостаточно применяются решения застройки в виде закрытых групп зданий, разделённых коридорами для пропуска снегового потока.
Важной задачей остаётся сохранение при строительстве мохорастительного покрова, способного охлаждать грунты на 1-2 и более ºС. Поэтому вертикальная планировка на застраиваемой территории часто устраивается на подсыпках. Однако часто происходит нарушение этого принципа и, как следствие, деформации сооружений. Следует рекомендовать широкое применение сплошной подсыпки, а также сочетание подсыпок с теплоизоляционными материалами, которые позволяют уменьшить её расчётную высоту, что рекомендовал в своё время выдающийся инженер-геокриолог Ю.Я. Велли и другие.
Большое значение имеет выбор места строительства. Посёлок Буор-Хая был спроектирован на мощном прослое льда. При строительстве площадка потеряла устойчивость, с образованием грязевого потока, направленного в сторону моря. Строительство пришлось прекратить, а посёлок перенести на новое место. По этой же причине в посёлке Черском при строительстве комплекса служебно-жилых зданий пришлось выполнить трудоёмкие работы по сплошной подсыпке территории. Значительный ущерб для линейных сооружений был нанесен оврагообразованием на территории посёлков Диксон и Тикси.
При отступании морских берегов со скоростью более трёх метров в год многие здания в небольших посёлках оказываются в опасной близости к морю. Известны примеры разрушений, вызванных термоабразией в посёлках Варандей, Амдерма, Харасавэй и других местах.
Непосредственной причиной деформаций является часто изменение температурного режима при строительстве, преимущественно из-за теплового влияния зданий или попадания сточных вод в основание. В посёлке Диксон в своё время затраты на восстановление деформирующихся зданий достигали 25% и более от их балансовой стоимости. В то же время подсчёты на примерах Амдермы и Якутска показали, что расходы на содержание мерзлотной службы в 24 раза меньше, чем затраты на ликвидацию последствий деформаций зданий.
Ущерб от деформаций зданий и инженерных сооружений на Арктическом побережье очень велик и составляет, по-видимому, многие миллиарды рублей в год. При этом ремонт и восстановление отдельных зданий обходится в 25-100% от их начальной стоимости. Однако методика оценки общего ущерба от опасных криогенных процессов на уровне территорий и регионов пока в деталях не разработана, несмотря на ряд предпринятых попыток.
В целом обследования состояния зданий и сооружений в городах и посёлках на Арктическом побережье показывают, что число деформированных объектов составляет 25-50% от общего их числа. С учётом возраставших объёмов строительства абсолютные значения экономического и социального ущерба всё время увеличивались. «Уроки деформаций зданий в Арктике наглядно свидетельствуют о необходимости резкого повышения требований к выбору площадок, качеству изысканий и проектирования, организации контроля за строительством и созданию мерзлотной службы по эксплуатации» – писал Ю.Я. Велли ещё в 1990 г., и с тех пор мало что изменилось.
Автодороги в районе Тикси и Певека устроены на песчано-гравийной насыпи, в основании которой залегают льдистые засолённые суглинки. Нарушение торфо-мохового слоя в период строительства, недостаточная высота насыпи (0.4 м) привели к вытаиванию льда. Образовались провалы, целые участки дорог после 2-3 лет эксплуатации погружались в грунты основания. Это наблюдалось и на Ямале, и в других местах. Часто выходят из строя опоры сетей электроснабжения, линий связи и водопроводов из-за слабого смерзания с засолёнными породами и интенсивного сезонноталого слоя. На участке развития криопэгов в морской лагуне зимнее промерзание вызывает интенсивные деформации пучения опор кабеля связи аэропорта Амдерма.
Постройка зданий, особенно повышенной этажности, приводит к изменению условий инсоляции поверхности и, как следствие, изменению температур грунтов оснований, отличающихся от проектных, и деформациям зданий и сооружений. Необоснованная перепланировка поверхности, подсыпка в сочетании с утечками воды и нарушением условий стока также может вызвать негативные последствия.
Есть и другие причины деформаций зданий, частая из них – недостаточная устойчивость к воздействию внешних факторов (например, солёных вод) и морозостойкость бетона строительных конструкций. Особенно часто это наблюдается в Арктике (Норильск) и в районах с резко континентальным климатом и значительными колебаниями температур (Якутск). Страдают также трубы и линии связи.
Выпучивание старых деревянных свайных фундаментов в Якутске – ещё один распространённый процесс, связанный с изменением водно-теплового режима грунтов.
Таким образом, примеры и причины деформаций зданий и инженерных сооружений в Арктике многочисленны и известны давно. Деградация вечной мерзлоты, связанная с потеплением, приведёт к новым негативным последствиям. Для их предотвращения и для устойчивого социально- экономического развития Арктики необходима разработка системы мероприятий, включающих подготовку специалистов, совершенствование методик и стандартов проектирования и строительства, создание сети мерзлотных станций и мониторинга за состоянием мерзлоты. Важна также аргументированная оценка возможных изменений климата и их последствий для температурного режима грунтов и их несущей способности в качестве оснований зданий и сооружений.
Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.