Особенности проектирования здания в условиях вечной мерзлоты в Республике Бурятия

Введение

Общеизвестный факт, что большая часть территории Российской Федерации расположено в условиях вечной мерзлоты, создает основание к актуальности использования ресурсов и богатств данных территорий для эффективного социально-экономического развития нашей страны. Именно виду того, что большая часть ресурсного потенциала России сосредоточено в недрах северных территорий, уже достаточно большой период времени ведутся успешные исследования и проектные разработки различных строительных и инженерных объектов широкого круга сфер промышленности России: нефтегазовой, добывающей, жилищно-строительной и др. Это позволило достичь такой ситуации, что сегодня новые объекты в северных территориях строятся уже не путем проб и ошибок, а на основании научных знаний, для таких сооружений существуют особые требования к проектированию и изысканиям. Вопросами строительства на мерзлоте занимается целая научная отрасль – инженерная геокриология. Причем Россия более полувека является лидером в этой области. Современные ученые подтверждают, что технологии строительства на вечномерзлых грунтах отработаны хорошо.

Строительства и проектирования зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты.

Цель статьи: исследование эффективных условий строительства и проектирования зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты.

Основной особенностью Северной строительно-климатической зоны являются низкие зимние температуры воздуха и вечномерзлые грунты, которые распространены на 11 млн км², что составляла 47% территории России. Исходя из влияния строительно-климатических характеристик на объемно-планировочные и конструктивные решения жилых зданий территорию Крайнего Севера можно разделить на три зоны.

Первая зона охватывает территории, прилегающие к арктическому побережью, и отличаются сильными верами, в сочетании с низкими зимними температурами до -40⁰ С, снегозаносами и солнечным климатом, характерном для зоны, расположенной за полярным кругом, когда солнце светит круглые сутки, низко поднимаясь над горизонтом – до 23⁰ севернее полярного круга. В этой зоне находятся такие города как Норильск и Воркута.

Вторая зона отличается резко континентальным климатом с очень низкими зимними температурами до – 55⁰ С и жарким летом, с температурой до 30⁰ С, малым количеством осадков, как в жидком, так и твердом виде, слабыми ветрами. Инсоляция и солнечная тепловая радиация отсутствует зимой, длина светового дня составляет 2–4 часа. Большие перепады температур приводят к значительным температурным деформациям, сопутствующие замерзанию и оттаиванию влаги в конструкциях. При низких среднегодовых температурах воздуха, ниже – 6⁰ С, и малой толщине снеговых отложений, грунты промерзают и образуется устойчивая мерзлая толща с постоянной температурой грунта в -2⁰ С на глубине 10–15 м и ниже. Для этой зоны характерна разница среднегодовых температур воздуха и грунта в 2–4.

Третья зона является переходной от мерзлых грунтовых оснований к обычным грунтам с положительными температурами. Проектирование в этой зоне наиболее сложное, так как там имеются в основании как мерзлые, так и талые грунты. Причем островные талики, также, как и мерзлые могут со временем изменять свою конфигурацию и местоположение. Это прежде всего связано с большими снегозаносами и ветром. Основной особенностью, которая влияет на объемно-планировочные и конструктивные решения зданий на Севере, является наличие вечномерзлых грунтов в основании и особенно низкие температуры воздуха зимой [1, 2, 3].

При возведении здании и сооружений на вечномёрзлых грунтах строителям приходится решать вопрос о выборе принципа строительства – основного направления, которому необходимо следовать при проектировании, возведении и эксплуатации: в каком состоянии использовать грунты в качестве основания здания в мёрзлом или талом. В зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, а также от геокриологических условий территории строительства, принимается тот или иной принцип использования вечномёрзлых грунтов в качестве оснований.

I принцип – вечномёрзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения.

II принцип – мёрзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии, с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации здания и сооружения, или оттаивания грунтов на расчётную глубину до начала возведения здания.

Абсолютное большинство жилых многоэтажных зданий в городах, расположенных в зоне устойчивых вечномерзлых грунтов построены по I принципу. Достигается это за счет открытого пространства под зданием, так называемого вентилируемого подполья как это показано на примере многоэтажного жилого дома в г. Мирном (рис. 1). Как известно прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов определяются прежде всего значением их отрицательной температуры. Поэтому сохранение расчетного температурного режима грунтов основания является основной задачей при проектировании зданий, возводимых по I принципу. В настоящее время известны два основных средства для охлаждения грунтовых массивов оснований зданий. Это проветриваемое подполье, и глубинные охлаждающие устройства.

Рис. 1. Проветриваемое подполье в жилом доме

Конструкции фундаментов

В качестве фундаментов зданий, построенных по I принципу, применяются сваи, установленные в заранее пробуренные скважины и вмороженные в грунты основания. Сваи работают как стойки, жестко защемленные одним концом в грунт, а верхним концом закрепленные в монолитных деформациях ростверка верхние концы свай перемещаются в зависимости от длины ростверка. Особенно это касается крайних свай.

Уменьшить нагрузку от температурных деформаций возможно за счет увеличения свободой длины сваи, и путем устройства температурных швов. Необходимо отметить, что при включении отопления температурные деформации ростверка сокращаются, так как он жестко связан с конструкциями здания.

Проветриваемое подполье представляет собой часть здания, заключённую между перекрытием первого этажа и грунтом основания. Высота подполья определяется расстоянием от поверхности грунта до низа выступающей конструкции и составляет не менее 1.2–1.7 м до балки ростверка. По режиму охлаждения и вентилирования холодные подполья подразделяются на закрытые, открытые и с регулируемым проветриванием, ограждается сеткой или стенкой со щелью внизу высотой 20 см по контуру здания. На рисунке 2. представлено вентилируемое подполье в здании без технического этажа.

Рис. 2. Конструкция проветриваемого подполья в жилом доме: 1 – инженерные коммуникации; 2 – цокольное перекрытие; 3 – ростверк

В качестве охлаждающих устройств, применяемых для повышения надежности мерзлых оснований как, правило используются сезонно-охлаждающие устройства (СОУ), работающие за счет естественного холода. СОУ могут быть жидкостные, парожидкостные или вентилироваться холодным воздухом [7, с. 432]. Они могут располагаться рядом со сваей или внутри сваи.

Конструктивной особенностью СОУ-1 с однофазным теплоносителем в виде коаксиального термосифона, является возможность обеспечить необходимую интенсивность теплообмена в зимнее время только за счет поверхности надземной части устройства, вмонтированного в сваю. В летнее время при положительном значении разности температур атмосферного воздуха и грунта циркуляция теплоносителя устраняется автоматически. Это исключает кратковременное повышение температуры на поверхности сваи и опасность потери несущей способности холодной сваи. За счет применения в качестве теплоносителя авиационного керосина СОУ-1 является абсолютно надежным.

СОУ-2 с двухфазным теплоносителем представляет собой трубу, внутри которой происходят процессы испарения конденсации рабочей жидкости теплоносителя. В качестве теплоносителя используются: аммиак, углекислота, пропан, фреон [7, с. 432]. Существенным преимуществом конструкции явилось уменьшение диаметров испарителя и конденсатора. В большинстве случаях, используются трубы диаметром 32–57 мм. При этом масса СОУ-2 не превышает 70 кг. Недостатком СОУ-2 недостаточная надежность. В случае утечки хладоносителя устройство выходит из строя. СОУ-2 широко применяются на объектах нефтегазовой добычи в Салехарде, Лабытнанги на Ямале. В городах Воркута, Норильск, Мирный СОУ-2 применяются для экстренного охлаждения грунтов оснований в случае повышения их температуры.

Строительство по II принципу допускает оттаивание грунтов основания во время эксплуатации здания. Такой метод строительства актуален для районов, где в течение срока эксплуатации здания возможен переход грунта из мерзлого в талое состояние или наоборот. Как известно при промерзании сильновлажных грунтов происходит активное деформации в виде пучения. При оттаивании лед переходит в воду и объем грунта уменьшается. Для снижения амплитуды температурных колебаний в грунтах основания применяется метод стабилизации. Но надежность этого метода недостаточна из-за резких климатических изменения температуры воздуха и влажности, особенно толщины снегового покрова.

Современный опыт показал, что строительство не ограничивается применением только I или II принципа использования грунтов основания в качестве фундаментов. В основания зданий, построенных на намывных грунтах по I принципу со столбчатыми фундаментами, постепенно оттаивали, но осадки фундаментов оказались допустимыми для данной конструкции здания, и, таким образом, здания, построенные по Принципу I, постепенно, в связи с деградацией вечной мерзлоты, эксплуатируются по Принципу II. Это можно объяснить тем, что при массиве намывных грунтов состоит главным образом из песков, который характеризуется как мощный (6,5–8,5 м) слой уплотнившихся грунтов с малой влажностью, мало подверженный деформациям при промерзании-оттаивании. Аналогичные ситуации могут возникать также при наличии крупнообломочных или скальных грунтов на небольшой глубине.

Рис. 3. Жилой дом на намывных грунтах без вентилируемого подполья

Рис. 4. Жилой дом на намывных грунтах с вентилируемым подпольем

Научная новизна исследования состоит в определении применимости двух принципов строительства на вечномерзлых грунтах с учетом современных технологий, таких как намывные песчаные основания, само-охлаждающие устройства, автоматизация регулирования вентиляции подполья под зданием и т.д. Показано, что возможно не только строительство по I или II принципу, но и методы, позволяющие строить с учетом обоих способов строительства.