Инженерная подготовка территории в условиях вечной мерзлоты

Как строить на «вечной мерзлоте»

Мерзлота впервые была описана ещё русскими землепроходцами Сибири, а её систематическое изучение началось с 90-х годов XIX века, в связи со строительством железных дорог. При Русском географическом обществе в Петербурге тогда же была создана комиссия для изучения мёрзлых пород, куда входили И.В. Мушкетов, А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Рыкачев, К.И. Богданович.

В 1929 г. по инициативе М.И. Сумгина и при поддержке В.И. Вернадского в Академии наук СССР была организована Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством В.А. Обручева, а в 1939 г. – на её базе Институт мерзлотоведения им. В.А.

Обручева АН СССР в Москве, который включал мерзлотные станции в Арктике и Сибири.

В России общая площадь районов распространения вечной мерзлоты равна примерно 10,7 млн. км2, что составляет около 65% территории страны. В зависимости от степени распространения мерзлоты, различают области сплошного (более 90% площади), прерывистого (50% — 90%) и островного (10% — 50%) её распространения. В этих районах сосредоточено более 80% разведанных запасов нефти, около 70% природного газа, много других ценных ресурсов.

НЕ ВЕЧНАЯ вечная мерзлота

При освоении территорий с вечной мерзлотой возникают различные воздействия на окружающую среду и здания и инженерные сооружения. Во-первых, обычно происходит масштабное воздействие на природные условия в целом, изменяющие микроклимат, растительный покров, режим поверхностных и подземных вод, влажность и состав слоя сезонного протаивания и другие.

Это приводит к изменению температур горных пород, глубины оттаивающего летом слоя, положения кровли и подошвы мерзлоты. Изменяются гидрологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, биосфера региона.

Таким образом, возводить здания и инженерные сооружения приходится в иной обстановке, чем та, что была до возникновения нарушений, при проведении инженерных изысканий для строительства. Это необходимо учитывать, выполняя прогноз мерзлотных условий района освоения.

Во-вторых, различные виды хозяйственного освоения территорий криолитозоны при различных видах строительства (гражданского, промышленного, линейного, гидротехнического) – для целей горнодобывающей промышленности и подземного строительства, развития сельского хозяйства – подразумевают различные виды воздействия на мёрзлые породы и, соответственно, различную их реакцию, что также необходимо учитывать при прогнозе мерзлотных условий. Такой мерзлотный прогноз выполняется на основе инженерных изысканий и научно-исследовательских работ, включающих оценку существующих условий на территории, возможных техногенных воздействий, тепловые расчёты и моделирование температурного режима горных пород, разработку защитных и природоохранных мероприятий. Это нужно выполнять ещё до начала капитального строительства.

По мнению выдающегося геокриолога В.А. Кудрявцева, основателя кафедры геокриологии в МГУ, при этом недостаточно описать существующие мерзлотные условия, «фотографию», по его выражению. Мало лишь измерить температуру в скважинах, которая регистрируется там сегодня, потому что она изменяется.

«Фундамент зданий на вечной мерзлоте: риски и возможности» – Артем Набережный

Необходимо выявить закономерности формирования и развития вечной мерзлоты и сезонного оттаивания, оценить роль различных природных факторов, влияющих на температурный режим горных пород. Например, снег имеет выраженное отепляющее влияние, и при сокращении мощности снежного покрова будет наблюдаться понижение температур грунтов, и наоборот.

Растительные напочвенные покровы, наоборот, как правило, охлаждают грунты, и при их нарушении, скажем, гусеничной техникой, происходит повышение температур грунтов, оттаивание мерзлоты, термокарст и другие неблагоприятные процессы. Затем следует использовать эти закономерности при составлении мерзлотного прогноза.

Если бы не происходило нарушения температурного режима горных пород при строительстве, протаивания (или наоборот, образования) вечной мерзлоты, можно было бы использовать методы, с помощью которых возводят здания и инженерные сооружения в областях, где криолитозона отсутствует. Практика такого строительства существует со времён первых цивилизаций Египта, Индии, Китая, а затем Европы, и приёмы хорошо известны за столетия освоения этих территорий.

К сожалению, приход человека на Север сопровождался явлениями, неизвестными до недавнего времени. К ним относятся, например, оттаивание мерзлоты в основаниях зданий и сооружений, образование «чаш оттаивания» с осадкой грунтов и разрушением инженерных объектов.

Таким образом, чтобы сохранить мерзлоту и предотвратить разрушения, необходимо разделить тепловыделяющее сооружение и мёрзлые породы. Требуется создание «подполья» — свободно проветриваемого пространства между поверхностью земли и сооружением, а само здание или сооружение установить на сваи.

Первые сведения об способах возведения сооружений на вечной мерзлоте приведены в 1876 г. в работе инженера И.А. Лопатина, а затем этот вопрос был изучен профессором Николаевской инженерной академии В.П. Стаценко в 1922 г., который и предложил впервые для сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии устраивать проветриваемые подполья. Что касается свай, то ещё в 1907 г. Н.А.

Белелюбский применил их при сооружении моста на Екатерининской железной дороге. Эффективный способ изготовления бетонных свай был предложен русским инженером А.Э. Страусом – так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись непосредственно в буровой скважине, в том числе с арматурным каркасом.

Сваи Страуса получили распространение в том числе за границей и применяются до сих пор. Сегодня на таких сваях построено, и продолжает строиться значительное количество инженерных сооружений в китайском Тибете.

В Якутске в 1932–1936 гг. впервые была построена Центральная электростанция на фундаментах в виде колонн с башмаками и проветриваемым подпольем, консультировал строительство выдающийся мерзлотовед Н.А. Цытович. Интересно, что в проектировании принимали участие специалисты как Советского Союза, так и иностранные инженеры.

Мировая практика ещё не знала такого крупного строительства в условиях вечной мерзлоты, вдали от промышленных районов. Консультант по строительству Днепрогэса Х. Купер отмечал, что проект имел проблемы, «из решения, которых технический мир почерпнул много поучительного».

Первые сваи при возведении зданий на вечномёрзлых грунтах применили строители Воркуты в 1937 г. В 40-е годы их стали использовать в Якутске под руководством Е.Л. Жорницкого, а в 50-е гг. в Норильском промышленном районе под руководством инженера М.В.

Кима, бывшего заключённого Норильлага , изучавшего свойства вечной мерзлоты с 30-х годов и получившего впоследствии за жилищное строительство в Норильске Ленинскую премию. Затем В.К. Дмоховский, генерал-майор инженерно-технической службы (1943 год) показал, что винтовые сваи имеют преимущество в применении перед забивными при необходимости устройства фундамента в условиях вечной мерзлоты.

Сегодня сваи применяются и на магистральных трубопроводах на территории Сибири и в Северной Америке. На территории распространения мерзлоты допускается применение трёх видов прокладки: подземной, наземной в насыпи и надземной.

Подземная прокладка трубопровода: а — прямоугольная траншея; б — трапецеидальная траншея; в — смешанная форма траншеи; г — с балластом против всплытия; д — с винтовыми анкерами против всплытия (по http://neftelib.ru/neft-book/025/154/index.shtml)

Подземная прокладка трубопровода: а — прямоугольная траншея; б — трапецеидальная траншея; в — смешанная форма траншеи; г — с балластом против всплытия; д — с винтовыми анкерами против всплытия (по http://neftelib.ru/neft-book/025/154/index.shtml)

Однако наземный способ прокладки трубопроводов часто не реализуется из-за высокого риска отказов, прежде всего из-за оттаивания в летнее время, которое приводит к погружению трубопровода. С другой стороны, для нефтепроводов часто другой вариант невозможен, из-за высокой температуры нефти и возможности оттаивания мерзлоты.

Поэтому их устанавливают на сваи, как большую часть Трансаляскинского нефтепровода в США. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонноталого слоя применяют установку термостабилизаторов – сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Термостабилизатор (термосифон) – сегодня важная часть многих проектов в криолитозоне. Он работает по принципу переноса зимой естественного холода в основание фундамента и пассивного состояния летом. Когда впервые его придумали в Америке, использовалась обычная труба с керосином.

Зимой верхняя часть трубы охлаждается, холодный керосин опускается вниз и понижает температуру грунтов, а летом такой циркуляции нет. Сейчас совершенствуются технологии устройства, увеличивается их эффективность, применяется аммиак, углекислый газ. В Тюмени создано большое предприятие по производству термостабилизаторов «Фундаментстройаркос», которое активно работает в Российской Арктике.

Технологии совершенствуются и в строительстве, изменяется материал свай, его шероховатость, конструкции, способы установки, но принцип, так называемый I принцип строительства на вечномерзлых грунтах, в большинстве случаев остаётся – сохранение грунтов в мёрзлом состоянии. Впрочем, обеспечить мерзлое состояние оснований бывает сложным делом, особенно на территории застройки, если наблюдается снегонакопление или нарушение поверхностного стока.

Впрочем, иногда может применяться и II принцип – с предварительным оттаиванием, например, если по прогнозу мерзлота рано или поздно оттает, следовательно, лучше это каким-то образом сделать ещё до строительства, или даже в процессе эксплуатации, если здание допускает деформации, и в этом случае основание также будет устойчивым. Необходимо быть осторожным при использовании этого принципа, осадки грунтов при оттаивании могут быть неожиданно велики, а их прогноз непрост.

Основания и фундаменты при II принципе использования грунтов: а — с допущением оттаивания многолетнемёрзлых грунтов в процессе эксплуатации, б — с предварительным оттаиванием многолетнемёрзлых грунтов; границы: 1 — многолетнемёрзлых грунтов в естественных условиях, 2 — после предварительного оттаивания, 3 — сформировавшихся в процессе эксплуатации (по https://megalektsii.ru/s26077t6.html)

Основания и фундаменты при II принципе использования грунтов: а — с допущением оттаивания многолетнемёрзлых грунтов в процессе эксплуатации, б — с предварительным оттаиванием многолетнемёрзлых грунтов; границы: 1 — многолетнемёрзлых грунтов в естественных условиях, 2 — после предварительного оттаивания, 3 — сформировавшихся в процессе эксплуатации (по https://megalektsii.ru/s26077t6.html)

Есть и промежуточный вариант – в частности, так называемый «метод стабилизации», если состояние частично опущенной кровли мерзлоты методами тепловой мелиорации поддерживается в стабильном состоянии. При этом необходим тщательный мерзлотный прогноз и контроль за состоянием основания.

Таким образом, главное при строительстве на вечной мерзлоте — во-первых, прогноз мерзлотных условий при освоении территории. Мы должны знать, что может произойти с мерзлотой при строительстве и нарушении природной среды, как изменится положение её кровли и подошвы, слой сезонного оттаивания, влажность грунтов, какие процессы могут развиваться – пучение, термокарст, термоэрозия.

При этом необходимо учитывать и динамику климата, в частности, происходящее в настоящее время глобальное повышение температур воздуха, особенно выраженное в криолитозоне. Во-вторых, необходимо принять решение, по какому принципу строительства мы будем возводить здания и инженерные сооружения, что будет более экономически оправданно и безопасно.

Если температуры низки, а мерзлота содержит значительное количество льда, предпочтительнее, как правило, I принцип, то есть сохранение мерзлого состояния грунтов. В этом случае принимаются меры по предотвращению попадания в мерзлоту тепла, устраиваются проветриваемые подполья, используются холодные трубопроводы, применяются термостабилизаторы.

Источник

Тонкости строительства на вечномерзлых грунтах

Характерной чертой вечномерзлых грунтов (ВГ) является наличие льдо-цементных связей, которые придают почвенному слою большую прочность. При повышении температуры связи начинают разрушаться, что способствует уменьшению прочности грунта. Но благодаря большой территории ВГ сезонные перепады температур существенно не влияют на несущие способности грунта.

Однако при строительстве в таких районах следует руководствоваться особыми методиками. Секретами водоотведения и принципами инженерного освоения многолетнемерзлых грунтов делятся специалисты группы компаний «КС» и «ВММоторсервис».

Зоны вечной мерзлоты

Тема достаточно обширная и заслуживает особого внимания. Мы ей посвятим еще несколько статей. Но если группировать основную информацию, то можно выделить 3 зоны мерзлой почвы в разрезе физико-механических свойств:

• отложения в верхней (покровной) части, основная масса которых состоит изо льда;
• коренная почва в зоне выветривания;
• коренные породы зоны горизонтов под мерзлотой.

Толщина подобных грунтов определяется их географическим положением и геологической структурой:

• в горных районах со складчатым типом рельефа толщина зоны ВГ варьируется от 1 до 20 м;
• в проймах рек Сибири данный показатель колеблется в пределах от 100 до 200 м;
• в районах, находящихся вблизи от Восточно-Сибирского моря, толщина верхней части может превышать несколько сот метров.

Строительство на многолетнемерзлых грунтах

Несмотря на природно-климатические особенности, в зоне вечной мерзлоты осуществляется строительство зданий и сооружений. Но при проведении работ необходимо соблюдать определенные требования, что позволит эксплуатировать возведенные объекты так же, как и в других широтах.

1 принцип строительства на вечномерзлых грунтах

Подобный способ (метод) применяется в районах с многолетнемерзлым грунтом значительной мощности для строительства зданий и сооружений небольших размеров и выделяющих много тепла. Метод 1 рекомендуется применять, если грунт является твердомерзлым.

Объекты, возведенные по данному принципу использования многолетнемерзлых грунтов, должны иметь следующие виды железобетонных фундаментов:

• сплошного сечения либо полые;
• сваи-оболочки;
• сваи-столбы;
• сборные столбчатые;
• монолитные.

При возведении зданий по жесткой конструктивной схеме следует учитывать, что продольно и поперечно расположенные стены должны устанавливаться симметрично по отношению к основным осям. Стены необходимо делать сквозными по всей ширине либо длине объекта. Расстояние между поперечными несущими стенами не должно превышать 12 метров.

Дверные проемы рекомендуется размещать равномерно и делать их одинаковыми по размеру. Ослаблять стены нишами, каналами, штробами недопустимо.

2 принцип строительства на вечномерзлых грунтах

Такая методика проектирования уместна в регионах с ВГ, в которых происходит оттаивание грунта под зданием (сооружением). Допустимым считается оттаивание в период подготовки местности к строительным работам либо после их завершения.

В соответствии с данным принципом проектирования здания должны иметь малочувствительную конструкцию, устойчивую к просадке фундамента во время оттаивания грунта.

Работы по бетонированию осуществляются в непрерывном режиме. Новый слой укладывается на предыдущий до того, как температура станет ниже расчетной. Соотношение цена — качество, если говорить о бетонировании, будет считаться оптимальным при применении одного из следующих современных методов проведения работ:

1. По технологии «термос», основанной на использовании сохраненного тепла смеси. Она может нагреваться в ходе реакции цемента с водой.
2. Путем искусственного нагревания смеси после укладки.
3. Увеличением скорости реакции цемента и понижением температуры замерзания воды благодаря химическим добавкам.

Использование водоотведения или осушения

Установка инженерных коммуникаций в условиях вечной мерзлоты сопровождается решением целого ряда задач:

• изучение мощности и схемы источника водоснабжения;
• на основе оценки свойств ВГ определение принципов использования вечномерзлых грунтов, возведения сооружении и установки сетей;
• выбор инструментов, исключающих замерзание воды на каком-либо участке от источника до потребителя;
• разработка методов ресурсо- и энергосбережения; .

Строительство в условиях вечной мерзлоты требует соблюдения ряда правил. Без их выполнения проведение работ будет экономически нецелесообразно, так как состояние грунта может меняться в зависимости от времени года, что будет способствовать усадке и деформации здания. Поэтому работы подобного уровня сложности поручают исключительно специалистам.

Если перед вами стоит непростая задача по осушению или водоотведению, а может вас напугал плывун — смело обращайтесь! Мы работаем по всей России!

Источник

Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты

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.

Непосредственно перед началом работ по бетонированию опалубка и арматура чистятся от наледи и снежных масс. Если диаметр арматуры превышает 25 мм, либо она выполнена из жесткого профилированного проката или содержит металлические закладные элементы значительного размера, то в условиях отрицательных температур менее -10 о С следует нагреть арматуру.

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:

• технология «термоса», базирующаяся на сохранении начальной теплоты смеси, нагретой в процессе составления или перед укладкой на месте работ, а также на использовании выделений тепла, происходящих из-за реакции цемента с водой во время отверждения бетона;
• технология искусственного прогрева бетонной смеси после выполнения ее укладки в конструкцию;
• технология химического снижения точки замерзания воды в составе бетонной смеси и повышения скорости реакции цемента.

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.

Применяют специальные химические добавки. Некоторые химикаты – поташ К₂СО₃, хлористый кальций CaCl, нитрат натрия NaNO₃ и пр. – будучи введенными в состав бетона в небольшом объеме, как правило, не более 2% от количества цемента, повышают скорость твердения бетона на начальном этапе выдерживания. Химические добавки также обеспечивают смещение точки замерзания воды до -3 о С, что позволяет нарастить сроки остывания бетона и тем самым обеспечить ему больший набор прочности.

Составление бетонных смесей, включающих в себя химические добавки, выполняется с использованием горячей воды и нагретых зернах наполнителя. При извлечении из смесителя такой бетон обычно имеет температуру от 25 до 35 о С, непосредственно перед укладкой его температура падает до примерно 20 о С. Укладку в конструкции химически модифицированных бетонов осуществляют при внешней температуре воздуха от -15 до -20 о С, после размещения в утепленной опалубке сверху настилается один-два слоя теплоизоляции.

Отвердение бетонной конструкции происходит за счет эффекта «термоса» при одновременном действии дозированных химических компонентов. Технология «термосного» бетонирования наряду с использованием химикатов проста и относительно недорога.

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.

Источник