Как строятся дома в условиях вечной мерзлоты
Регионы с вечной мерзлотой на почве относятся к числу неудобных для строительства, но и они успешно осваиваются и застраиваются благодаря новым технологиям.
Мы знаем, что в средней полосе России почва промерзает зимой из-за содержащейся в ней влаги, и оттаивает по весне. Но оказывается почти на 2/3 территории нашей страны царит вечная мерзлота, то есть земля здесь полностью не оттаивает никогда. Но при этом она может подтаивать и проседать в период короткого лета и под воздействием экологических и техногенных факторов.
Строить что-то крупное на таком зыбком грунте с объективной точки зрения опасно. И тем не менее в регионах с вечной мерзлотой еще в советские годы начали возводить жилые многоэтажки и даже целые города, предприятия, склады и другие объекты недвижимости. А сегодня этот процесс стал протекать еще более активно благодаря внедрению современных технологий.
Опасная зона для строительства
После оттаивания почвы можно наблюдать, как она напитывается водой, которая со временем частично испаряется, частично просачивается в нижние слои. Но первые несколько дней на поверхности образуется настоящее грязевое болото. И то же самое происходит на участках с вечной мерзлотой летом: верхние 1-2 метра почвы оттаивают, но вода не может просочиться ниже, потому что там остается лед. Поэтому долгое время на поверхности разливаются грязевые озера.
Из-за этого строительство зданий на вечной мерзлоте считается сложным делом. Ведь она же вовсе не вечная! И если возвести дом по традиционной технологии, то с наступлением лета он погрузится в жидкую грязь, просядет, причем неравномерно, из-за чего треснут стены, и строение просто развалится. Так уже бывало с домами в Чите, которые буквально поплыли летом из-за того, что строители не учли эффекта оттаивания вечной мерзлоты.
Уникальные технологии
Есть и еще одна опасность: вечную мерзлоту под фундаментом может растопить тепло от самого дома. Ведь именно в нижней части, в подвале, вплотную прилегающем к почве, находятся трубы для подачи горячей воды и отопления.
Поэтому для возведения зданий на вечной мерзлоте пришлось изобретать уникальные технологии. Если поверхность грунта более-менее ровная и летом он оттаивает не сильно, то строители подкладывают под фундамент дома специальную теплоизоляционную подушку. А еще оставляют вентиляционные отверстия в нижней части здания, чтобы тепло быстро выходило.
Другой вариант — установка домов на сваях. Нечто подобное делается в регионах, где часто бывают подтопления. Но для вечной мерзлоты используют более широкие и массивные опоры, которые могут стоять веками. Чаще всего делаются бетонные наливные сваи: буром в мерзлоте высверливаются отверстия, в них опускается арматура и сверху заливается бетон. С внедрением новых технологий этот процесс усовершенствовали. Теперь рядом со сваей делают специальную капсулу, куда закладываются жидкостные термостабилизаторы, создающие охлаждающий экран.
Чтобы теплоотдача не шла от коммуникаций, трубы для отопления, горячей воды и канализации прокладывают либо над поверхностью грунта, либо очень глубоко в нем — до 6 м, где мерзлота никогда и не при каких обстоятельствах не растает.
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.
Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты
Автор: Шафигуллина Лейсан, Студентка инженерно-строительного факультета Казанского (Приволжского) федерального университета (филиал в г. Наб. Челны)
Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая особенна по-своему. Но это не означает, что там нельзя строить здания и сооружения. Это возможно при любых климатических условиях. Всего на всего нужно соблюдать определенные требования к строительству и проектированию. И тогда любое здание будет функционировать на том же уровне что и в умеренных широтах.
Какие же требования нужно выполнят при строительстве и проектирование зданий в условиях вечной мерзлоты? По строительным нормам принято выделять два принципа проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.
По 1 принципу – в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов, как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации.
По 2 принципу – перед строительством грунты предварительно оттаивают или используют грунты, оттаивающие в период эксплуатации. В этом случае вечная мерзлота грунтов не сохраняется.
Что касается сохранения вечномерзлого состояния грунтов, то можно применить следующие приемы…
1. Возводить здание на подсыпках (рис. 14.6,а) и обеспечить теплоизоляцию поверхности и грунта (рис. 14.6,б). Этот прием рассчитан на охлаждение массива грунта основания с боков. В случае если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании.
2. Устройство вентилируемых подполий (рис. 14.6,в). Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье.
3. Расположение на 1 этаже неотапливаемых помещений (рис. 14.6,г), что тоже выполняет роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения стены 1 этажа из теплопроводных материалов, а окна – с одинарным остеклением.
4. Устройство под полом вентиляционных каналов (рис. 14.6,д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов (рис. 14.6,е) саморегулирующими колонками или специальными холодильниками установками с замораживающими колонками.
5. Устройство свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. При этом укладка теплоизоляции под полом отапливаемого здания существенно уменьшает глубину оттаивания.
А что касается 2 принципа, то при проектировании и строительстве фундаментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.
Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует возводить здания малочувствительных конструкций. А в некоторых случаях следует регулировать и сам процесс оттаивания.
При проведении бетонных и каменных работ нужно выполнять специальные требования…
Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность.
Процессы бетонирования в условиях отрицательных температур производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.
Современные технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:
В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.
В итоге, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, только следует применять нужные меры и соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.