Применение I принципа использования многолетнемёрзлых грунтов в качестве основания
Проценко Я.А.
Аннотация: в статье рассматриваются основные традиционные фундаменты, которые применяются в условиях вечной мерзлоты. Эволюционный процесс изучения воздействия вечномерзлых грунтов на фундаменты на примере Норильска. Также в статье освещается международный опыт изучения мерзлых грунтов, на примере Канады.
Основное внимание уделено I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания. Проведена оценка свайного типа фундамента на примере обследования здания 1961 года, в рамках реконструкции в Норильске. Статья также затрагивает экспериментальный вид фундамента плита-оболочка в сочетании с вентиляционными каналами в промежуточном слое. Технология его устройства на основе личного опыта, с целью определения того, какие методы могут быть использованы в будущем, а что останется неизменным для арктической территории.
Ключевые слова: Норильск, вечная мерзлота, свайное фундирование, вмораживание свай, реконструкция, поверхностная вентилируемая плита-оболочка. вечная мерзлота свайное фундирование
Protsenko Ya.A.
APPLICATION OF PRINCIPLE OF USING PERMAFROST SOILS AS BASE
Abstract: the article discusses the main traditional foundations that are used in permafrost conditions. The evolutionary process of studying the impact of permafrost soils on foundations using the example of Norilsk. The article also highlights the international experience of studying frozen soils, using the example of Canada.
The main attention is paid to the first principle of using permafrost soils as a base. An assessment of the pile type of the foundation was carried out using the example of a 1961 building survey, as part of the reconstruction in Norilsk. The article also touches on the experimental type of the shell slab foundation in combination with ventilation ducts in the intermediate layer. The technology of its device is based on personal experience, in order to determine which methods can be used in the future, and what will remain unchanged for the Arctic territory.
Keywords: Norilsk, permafrost, pile foundation, pile freezing, reconstruction, surface ventilated shell plate.
Цели. Проведение авторского исследования о том, какой тип фундаментов применим в условиях холодного климата Северных регионов. Обзор эволюции в строительстве фундаментов в условиях вечной мерзлоты. Исследование альтернативного типа основания - поверхностной вентилируемой плиты о болочки.
Методология. В процессе изучения особенностей строительства были использованы такие методы, как аналитический (изучение материалов по строительству на территории вечной мерзлоты), практические (получение данных из личного опыта реконструкции зданий на территории Норильска).
Объект исследования: город Норильск и особенности строительства в условиях вечной мерзлоты.
Предмет исследования: фундаменты на многолетнемерзлых грунтах в Норильске.
Введение
Норильск - развитый город, но таким он был не всегда, при строительстве возникало много проблем. Ключевая сложность связана с тем, что под Норильском многолетнемерзлые грунты, которые служат основанием для зданий и сооружений.
Термин «многолетнемерзлые породы» (ММП), часто называемые многолетней или вечной мерзлотой, представляющей собой любое вещество, находящееся ниже поверхности земли, температура которого на протяжении двух или более последовательных лет остается отрицательной, и в котором хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние (лед) [1, с.301].
Основной частью любого здания является фундамент, который обеспечивает устойчивость и прочность постройки. Суровый климат, вечная мерзлота оказывают существенное влияние на основание здания, которое расположено в грунтах переменной влажности. Относится это в первую очередь к свайным фундаментам с продуваемым подпольем, работающих по I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания [7].
Эволюция фундаментов в условиях вечной мерзлоты Норильска
Сам факт появления Норильска тесно связан с инновациями и экспериментом, так как он стал первым городом в Заполярье. Ввиду своей уникальности расположения это своего рода лаборатория, где активно накапливался опыт строительства на многолетней мерзлоте.
В период с 1937 по 1940 год было построено 30 домов с малым количеством этажей. При строительстве, не учитывая условий Крайнего Севера, был использован ленточный неглубокий фундамент, который применяют в более мягких климатических регионах. В процессе эксплуатации стало ясно что подобный тип фундаментов не пригоден в условиях вечной мерзлоты, а строительство имеет свои особенности.
В 1936 году в Норильске была открыта мерзлотная станция. Именно там велись исследования, которые легли в основу современных методов возведения зданий и сооружений на мерзлых грунтах.
Внедрить метод свайного строительства с продуваемым подпольем в Норильске предпринимали попытки еще до 1941 года и это было хорошим решением для вечной мерзлоты. Но рациональность технологии оказалась под вопросом, грунт было необходимо прогреть и когда он оттаивал, установить сваю с опиранием на скальные породы. Потом ждали, пока скважина замерзнет. Прочность конструкции не вызывала вопросов, но вот по времени процесс очень длительный и трудоемкий [3].
Также были распространены котлованы, чтобы в основе фундамента была плотная порода. Их глубина могла составлять от 15 до 20 метров. До 1955 г. при строительстве в Норильске использовали столбчатые фундаменты с опорой на скалу.
В 1959 году открыли Норильский комплексный отдел для того, чтобы решить проблемы строительства оснований в условиях вечномерзлых грунтов. Впервые его возглавил Михаил Ким. И тогда он смог внести изменения в трудоемкий метод и усовершенствовать его. Михаил Ким обнаружил строительные преимущества в работе с вечной мерзлотой. Теперь не требовалось проникать на большие глубины до скал. Сваи могли либо опираться на многометровый подземный лед, либо «вмораживаться» практически в любой грунт.
Таким образом ему удалось снизить трудоемкость заложения фундаментов. Экономическая выгода была показательной, цена снизилась в два раза. На его возведение тратилось в 5-6 раз меньше времени [3].
При «вмораживании» сваи устанавливали при помощи кранов, скважина должна была быть заполнена жидким шламом на 1/3 часть, который нагревали до 30-40 градусов по Цельсию. По мере установки сваи, раствор вытесняется, заполнял скважину до верха, замерзал и крайне надёжно фиксировал всю конструкцию. Для того чтобы жидкость замерзла, требовалось разное количество времени зимой и летом, 5-10 и 10-20 дней соответственно.
Хотя в 1945 году Михаил Ким уже предпринимал попытки внедрить данный метод, но по-настоящему он стал широко применим после открытия Норильского комплексного отдела. И по сегодняшний день является наиболее приоритетным в строительстве на мерзлых грунтах.
Зарубежный опыт исследования вечной мерзлоты
Вечная мерзлота присутствует не только в Заполярье и Сибири, но также на различных территориях мира, включая США, Канаду, Исландию, Гренландию, Чили (в горах), Монголию, и даже в Африке (на Килиманджаро). Однако самые мощные линзы подземного льда, достигающие до 1500 метров, находятся в России, в Якутии и на Таймыре, при этом являясь самыми холодными в мире с температурой от минус 7 до минус 12 градусов по Цельсию.
В отличие от Норильска, где нашли применение технологии использования мерзлоты в качестве основания, город Аклавик в Канаде еще в начале XX века был построен традиционным способом, с малозаглубленным фундаментом. К середине XX века канадским инженерам Пихлайнен, Дж. А. и Джонстон, Г. Х. удалось провести исследование. В марте 1953 года при строительстве школы в Аклавике для мониторинга влияния мерзлоты на фундаменты пробурили 14 скважин на глубину чуть более 5 метров. Фундаменты школы были свайные и заглублены на 5,2 метра. Установки изготовили в полевых условиях из отрезков провода с 8 термопарами, соединенных вместе, для измерения и регулирования температуры. Их вставили в оптоволоконные трубки. Трубы заполняли резиновым клеем. Каждую установку опускали в скважину рядом со сваей. Датчики были расположены на разной глубине - в уровне пола, в месте проветриваемого подполья и остальные в грунте [5].
Рис. 1. Схема установки температурных датчиков при строительстве школы в Аклавик.
В результате исследования было выявлено два типа почв Аклавика:
• лед, который связывал отдельные частицы, но не всегда был различим невооруженным глазом,
• ледяные линзы толщиной с волос и до 12,7 см, [9, с.12].
На тот момент это были первые исследования для Канадских инженеров на такой глубине.
Ориентируясь на опубликованные в 1954 году исследования в Аклавике можно определить, что на территории распространены мерзлые грунты. Следовательно, можно прийти к выводу, что в теплый период года верхние слои грунта оттаивали. Поэтому основания под зданиями превращались в болото. Незаглубленные фундаменты построек, которые были возведены до исследований, подвергались просадке и теряли устойчивость. Это стало причиной, по которой территорию Аклавика было принято не рассматривать для дальнешего развития.
Опираясь на опыт Норильска, который к 1953 году был заметно больше, чем у инженеров Канады, можно предположить, что именно метод «вмороженных» висячих свай мог быть решением для надежного строительства на территории Аклавика.
Город Аклавик было принято решение перенести на 53 км в сторону, где существовала возможность использования скальных пород. Правительство решило построить новый город, что было более экономически оправданным, который назвали Инувик. Но в выборе местоположения Норильска были серьезные ограничения, и поэтому была необходимость разработать надежную технологию использования мерзлоты в качестве основания. Построить полноценный многоэтажный город в условиях вечной мерзлоты стало возможным только после того, как стал использоваться метод Кима.
Исследование фундаментов, проведенное на примере реконструкции здания в Норильске
О бследование проведено в 2018-2019 году. Трехэтажное здание стоит на организующей оси города - Ленинский проспект, в городе Норильск, в структуре сложившейся жилой и общественной застройки [6]. Год возведения объекта 1961г. Согласно технического паспорта, назначение - нежилое отдельно стоящее здание. Последние годы не эксплуатировалось.
Трехэтажное здание с вертикальными коммуникациями в виде лестничных клеток, с помещениями разбитыми в основном несущими конструкциями и частично возведенными гипсокартонными перегородками в период капитальных ремонтов с отсутствующими проектными документациями.
Фундаменты под зданием построены по I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания [7]. Под зданием распространены твердомерзлые грунты.
По результатам предоставленных документов, визуального и визуальноинструментального обследования было выявлено, что капитальный ремонт здания не выполнялся последние 15 лет. За период 2015-2018 гг. были выполнены стихийные работы, которые частично позволили сохранить объект в состоянии на момент обследования.
По данным буровых и термометрических работ, выполненных в процессе инженерно-геологических изысканий, по внешнему контуру здания и под зданием распространены твердомерзлые грунты. В 2019 году было выполнено три скважины на глубину 10 метров.
Рис. 2. Литологическая колонка по данным инженерно-геологических работ, выполненных для объекта исследования 2019г.
На схеме (рис. 2) литологического разреза скважины №2 приведена линейка градации температуры по мере углубления в грунт. Температура слоя на глубине 10 метров минус 3,8 градуса в сентябре. Уже в слое 50 сантиметров можно наблюдать нулевую температуру грунтов.
Фундаменты объекта реконструкции представлены монолитным ростверком по буровым железобетонным сваям, круглого сечения, работающие в условиях проветриваемого подполья. Построены по I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания.
Рис. 3. Фотофиксация - свая в пространстве подполья.
Под зданием расположено техническое подполье с закрытым цоколем. Вентилирование осуществлялось за счет вертикальных шахт с отверстиями. Шахты были в неудовлетворительном состоянии и большая часть их отсутствовала.
Рис. 4, 5. Фотофиксация - отверстие в цокольной стене с утраченной шахтой для вентилирования.
Фотофиксация - сохранившиеся шахты для вентилирования подполья.
По результатам визуального осмотра наблюдалось оттаивание верхних слоев грунта, по следующим причинам:
- недостаточного поддержания проветривания подполья в теплый период года,
- разрушение шахт для проветривания, привели к тому, что в зимний период отверстия расположенные низко, были засыпаны снежным покровом и препятствовали естественному движению воздуха,
- неблагоприятное воздействие на верхнюю часть сваи химической агрессивной воды оттаивающего сезонного слоя грунта,
В результате имеются места просадки планировочной отметки вблизи здания.
Рис. 6. Фотофиксация - ростверк с наружной стороны.
Применение двух типов фундаментов на многолетнемёрзлых грунтах
В проекте для реконструкции здания в Норильске были разработаны новые объемнопланировочные решения и пристройка двух дополнительных одноэтажных объемов. Относительно оснований и фундамента под существующей частью, было принято сохранение существующего свайного фундамента по I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания.