Стройка в вечной мерзлоте

Катастрофа в Норильске еще раз показала, что строительство в условиях вечной мерзлоты — процедура довольно сложная. Нужно учесть множество факторов, которые касаются как свойств грунта, так и поведения конструкций в условиях климатических изменений. Разбираемся в этом вместе с экспертом из Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (Якутск).

«Для того чтобы безопасно возводить здания и инженерные сооружения на многолетнемерзлых грунтах, нужно изучать физико-механические свойства и тепловое состояние последних, их взаимодействие со строительными объектами и природной средой», — констатирует ведущий сотрудник ИМЗ СО РАН доктор технических наук Георгий Петрович Кузьмин. 

Мерзлые грунты — это довольное сложные многокомпонентные и многофазные системы. Обычно они состоят из минеральных частиц с включениями растительных остатков, воды в виде льда, незамерзшей воды и пара, а также газов. «Физико-механические характеристики таких грунтов определяет то, сколько и каких составляющих в них есть и как эти составляющие взаимосвязаны между собой.

Изменение или удаление одной из них приводит к количественному изменению других компонентов и свойств мерзлых грунтов, — комментирует ученый. — Так, например, при увеличении льдистости до определенного значения прочность мерзлотных пород повышается, а при дальнейшем росте — снижается».

На вечной мерзлоте сказывается любое потепление: это может происходить как из-за деятельности человека, так и из-за природных факторов. «Температура повышается — значит, меняется количество льда и незамерзшей воды, их соотношение, что влияет на свойства грунтов — говорит Георгий Кузьмин. — При потеплении больше воды и меньше льда, цементирующего минеральные частицы — вследствие этого мерзлые грунты становятся менее прочными». Каждый год идет сезонное оттаивание, и по мере потепления климата его глубина увеличивается — это снижает несущую способность грунта выдерживать тяжелые сооружения. Зимой «размороженный» слой начинает замерзать, возникает неравномерное пучение, вызывающее деформации фундаментных конструкций.

Надо отметить, что на этот цикл влияют растворенные в поровой воде соли. «Они снижают температуру начала замерзания грунтов, — добавляет исследователь. — При одинаковой температуре прочность засоленных мерзлых грунтов ниже прочности незасоленных».

Можно пронаблюдать за схожим эффектом и в обычных, не мерзлотных условиях: посмотрите на просевший и вспучившийся асфальт на болотистых участках грунтов. Это довольно грубая аналогия, но она позволяет примерно понять, какие последствия может вызывать цикл «замерзание—оттаивание».

«Разумеется, всё, указанное выше, и многое другое достаточно изучено, — говорит Георгий Кузьмин, — разработаны способы и средства для того, чтобы обеспечить устойчивое функционирование инженерных конструкций там, где есть вечная мерзлота». 

В первую очередь, когда на площадке планируемого строительства начинаются инженерно-геологические изыскания, специалисты должны досконально исследовать геологические условия, развитие тех или иных внутренних процессов в земле, механические и теплофизические характеристики грунтов. Кроме того, нужно смотреть и распределение температуры по глубине в зоне фундаментов сооружений. В результате всего этого формируются рекомендации по тому, как использовать многолетнемерзлые грунты.

«На следующем этапе, когда уже идет проектирование зданий и конструкций, на основе вышеназванной информации разрабатывается устройство оснований и фундаментов, — рассказывает Георгий Кузьмин. — Также специалисты делают расчеты, касающиеся глубины оттаивания грунтов под объектом, рекомендуют те или иные действия, которые не привели бы к изменению геокриологических условий за пределами допускаемых параметров».

Ученый отмечает, что при необходимости на фазе проектирования можно предусмотреть охлаждение грунтов, на которых строятся сооружения. Например, широко используется такой довольно эффективный способ: под зданием делается вентилируемое подполье (кто был на севере, тот видел дома, стоящие на сваях). «Зимой туда не попадает снег, который, как известно, повышает температуру почвы, соответственно основание интенсивно охлаждается, — комментирует ученый. — В летнее же время за счет затененности грунт меньше нагревается. Управление температурным режимом осуществляют также с помощью различных охлаждающих  устройств». Георгий Кузьмин подчеркивает, что если говорить об эксплуатации ответственных и опасных объектов, то обязательно предусматривается организация мониторинга состояния основания и фундаментных конструкций сооружения.

Ученые ИМЗ СО РАН на протяжении многих лет занимаются изучением состава, строения и свойств мерзлых, промерзаюших и протаивающих грунтов на обширной территории их распространения. «Кроме того, в зоне наших интересов — геологические процессы, связанные с мерзлотными процессами в грунтах, определение, как идет просадка при оттаивании, изучение вопросов использования криогенных ресурсов и так далее, — комментирует Георгий Кузьмин. — Причем ряд работ мы выполняем в ходе научного сопровождения строительства зданий, дорог различного назначения, аэропортов, плотин, водохранилищ и прочих сооружений, при проведении инженерно-геологических изысканий и мониторинга состояния различных конструкций. Например, в течение многих лет проводятся наблюдения за температурным режимом основания и деформациями фундаментов первого в Якутске здания ТЭЦ с вентилируемым подпольем, построенного еще в 1938 году».

Екатерина Пустолякова

Фото Артёма Набережного 

На фото: строительство с использованием вентилируемого подполь

Как строить на «вечной мерзлоте» — Регионы

Вечная мерзлота. Автор фото Андриан Колотилин, GeoPhoto.ru

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.

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. 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)

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.

Термосифоны охлаждают сваи, поддерживающие надземный трубопровод Транс-Аляска к северу от реки Юкон. © S.A. Harris

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.

Здание на железобетонных сваях, построенное по I принципу строительства, с сохранением мёрзлого основания и проветриваемым подпольем, в зоне сплошного распространения многолетнемёрзлых пород в п. Харасавэй, полуостров Ямал. © A. Осокин

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)

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.

Охлаждающие термостабилизаторы в проветриваемом подполье в условиях влияния подстилающих оттаивающих многолетнемёрзлых грунтов, кровля которых находится на некоторой глубине (Воркута). Таким образом поддерживается стабильное состояние положения кровли вечной мерзлоты (метод «стабилизации») и устойчивость фундамента © А.Брушков.

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.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Строительство на мерзлоте: опыт и новшества

Looking at the map of the Krasnoyarsk area, one can notice that our northern land is endless and … empty. In Evenkiya and at Taimyr the occupancy rate is only 0.03-0.06 people for square kilometer. Nevertheless, this severe land, the extremely Northern one (the Taimyr peninsula owns the northernmost point of the Eurasia), is successfully explored.

Если посмотреть по карте Красноярского края на наши северные пространства, они необозримы… и пустынны! В Эвенкии и на Таймыре показатель населенности составляет всего лишь 0,03-0,06 человека на квадратный километр. И все же эта суровая земля, крайне далекий север (на полуострове Таймыр расположена самая северная точка евразийского континента) сегодня успешно осваивается человеком.

Область вечной мерзлоты, которая занимает две трети площади нашей страны, называют стратегическим тылом России, ее кладовыми, топливно-энергетической базой и валютным цехом. Здесь работают комбинаты, шахты и карьеры, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом.

О том, как возводят здания на северных территориях, об особенностях заполярных сооружений и роли энергосберегающих технологий в условиях сурового климата мы побеседовали с заместителем первого проректора СФУ по науке и международному сотрудничеству, доктором технических наук, профессором Рашитом Назировым(Р.Н.) и доктором технических наук, профессором, советником Российской академии архитектуры и строительных наук и преподавателем кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий Юрием Гончаровым(Ю.Г.), принимавшим непосредственное участие в строительстве домов Заполярья.

Город на краю Земли

– Рашит Анварович, Юрий Михайлович, можно ли выделить особые принципы строительства в условиях Севера?

Р.Н.: Кардинальных различий в возведении домов на Севере и «на материке» нет. Однако особенности есть. Общие принципы строительства основаны на фундаментальных законах физики. Прежде всего, необходимо обеспечить надёжную теплоизоляцию дома. Это означает применение продуманных конструктивных схем зданий, которые гарантируют отсутствие «мостиков холода», использование эффективных материалов и энергосберегающих технологий. И, конечно, это особенности строительства фундаментов.

Ю.Г.: Строить дом на ледяном панцире, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно. Рыхлые грунты – песчаники, галечники и глины – в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведенные на них сооружения нагревают грунт, и он теряет монолитность, начинает подтаивать и смещаться. Известны случаи разрушения неправильно построенных домов в Чите, «плывут» некоторые участки БАМа. А в Канаде, например, жителям пришлось покинуть целых два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли. Так что строить основания зданий на мерзлоте можно, только приняв специальные меры для поддержания постоянной температуры грунта.

– Например, строить на сваях?

Р.Н.: Да. Хотя сегодня на Севере применяются два варианта возведения фундаментов: не только на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием и обеспечивается естественная вентиляция мерзлой поверхности, но и непосредственно на грунте. В последнем случае необходима высокая теплоизоляция, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.

Ю.Г.: Надо сказать, что сегодня достижения науки позволяют строить дома в любых условиях, даже на льдах. Существует множество видов свай, например, буронабивные – одна из ведущих разработок красноярских ученых. Согласно этой технологии специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном. Сегодня при строительстве используют бетоны специальных составов, с присадками, которые не успевают замерзнуть в процессе заливки. Если раньше при установке свай грунт оттаивали паром в течение нескольких месяцев, то бурение позволило в разы ускорить этот процесс.

Буронабивной фундамент

– Кто и когда впервые применил свайные технологии строительства на Севере?

Ю.Г.: В Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Но применение свай при возведении крупнопанельных домов – это изобретение 60-х годов прошлого века. Автором этого способа строительства фундаментов был инженер-строитель Михаил Ким, один из бывших заключенных Норильлага, который изучал свойства вечной мерзлоты еще с 30-х годов.

Строительство будущего Норильска начиналось на скальных породах, где фундаменты можно было ставить обычным способом. И когда в конце 30-х здесь начал работать проектный отдел, собранный из сосланных архитекторов и инженеров, опыта строительства на вечной мерзлоте не существовало нигде в мире! Благодаря идеям Кима, который предложил ставить дома на сваях, жилищное строительство в Норильске в начале 60-х приобрело широкие масштабы. Десяти архитекторам и строителям города, в том числе и Михаилу Киму, в 1966 году была присуждена Ленинская премия «за разработку и внедрение принципиально новых методов индустриального строительства в условиях Крайнего Севера». В их честь названа улица Лауреатов…

– А как в вечной мерзлоте решается проблема коммуникаций?

Ю.Г.: В небольших северных посёлках их прокладывают поверху, а вот в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м – в три раза глубже, чем в Красноярске. Коллекторы проходят в отдалении от домов, чтобы уберечь от тепла мерзлые грунты под зданиями. А дорогу, под которой проведены коммуникации, чистят от снега особенно тщательно, чтобы ветер остужал землю.

Строительство города Норильск, 1980-е гг.

– Кстати, о сильных ветрах Норильска. Можно ли бороться с этой стихией градостроительными методами?

Ю.Г.: Сильные ветры и частые метели – это еще одна особенность северного климата, с которой сталкиваются проектировщики и строители. На Таймыре, в Норильске крайне тяжелые погодные условия. Скорость ветра в один метр в секунду, по ощущениям человека, понижает температуру воздуха на два градуса. Например, когда температура ­- 400 и дует ветер в 18 м/с, мороз получается на уровне – 800! Местный климат по жесткости уступает только антарктическому. Для борьбы с ветром норильские кварталы строили замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, компактно. Благодаря этому получалось снижать скорость ветра. Фасады и крыши заполярных домов отличаются ровными линиями и простыми профилями – это служит профилактике снежных заносов.

– Какие именно научные учреждения занимались вопросами северного строительства?

Ю.Г.: Большие масштабы строек на Севере в трудных погодных условиях требовали постоянных научных разработок. Еще в 1957 году была организована Якутская комплексная научно-исследовательская станция – специально для изучения строительных технологий, разработки норм и инструкций, накопления опыта работы в мерзлотных условиях. Была в Якутии создана и лаборатория технологии стройматериалов. В 1962 году обе эти организации объединились в Якутский отдел Красноярского НИИ по строительству Академии строительства и архитектуры СССР. Мне довелось несколько лет возглавлять его. Впоследствии Красноярский НИИ по строительству был переименован в ПромстройНИИпроект, где, без преувеличения, объединились лучшие силы страны в области заполярного строительства. Наши научные разработки востребованы до сих пор!

P.Н.: К сожалению, надо признать, что сегодня в вопросе возведения зданий на северных территориях во многом утрачена преемственность поколений. Очень немногие люди по-настоящему владеют практикой подобного строительства. Организации, которые ведут работы сегодня, строят по СНиПам, разработанным еще в советское время. А вот новых научных и теоретических разработок почти не ведется. Часто проект делает организация, которая имеет об объекте весьма смутное представление.

– Как активно идёт строительство на Севере в наши дни? Народ сейчас оттуда скорее уезжает…

Р.Н.: Динамика строительства городов на вечной мерзлоте будет расти благодаря разработкам новых месторождений на севере края. Например, освоение Ванкорского месторождения способствует развитию Игарки. Всего один факт: пассажиропоток в городе за последние полтора года увеличился почти в три раза! В связи с проектами освоения Нижнего Приангарья активно развиваются Богучаны… Это, безусловно, положительные моменты.

Строительство БАМа

Точка отсчета

-Так или иначе, все сегодняшние масштабные промышленные проекты на Севере имеют отношение к энергетической отрасли. А недавно в стране был принят закон «Об энергосбережении». С чем это связано в широком смысле?

– Анализ климатических параметров населенных пунктов, расположенных на территории нашего края, показывает: Красноярск является наиболее «благоприятным» городом с точки зрения проектирования тепловой защиты (упрощенно говоря, именно в нашем городе с наименьшими затратами можно построить дом, в котором жильцам будет тепло).

Р.Н.: Все началось с энергетического кризиса 70-х годов. Но если вспомнить, нефть тогда стоила 17 долларов за баррель. Сейчас — около 80-100. И эта цифра будет только расти. В США, например, проблему энергосбережения рассматривают в числе основных, ее решение способствует обеспечению национальной безопасности. Несмотря на все меры по сбережению энергии, ее потребление, скажем, в жилищно-коммунальной сфере, будет увеличиваться на 1,5 – 2% ежегодно, причем в структуре потребления энергоносителей, по западной статистике, снизится доля потребления нефти, а использование энергии, вырабатываемой ГЭС и АЭС, останется примерно на прежнем уровне.

– Есть ли такие прогнозы в России?

Р.Н.: Должны быть, но они пока не стали всеобщим достоянием. Разработка программ по энергосбережению ведется на всех уровнях: федеральном, региональном, муниципальном. Уже с 1 января 2010 года вступили в силу требования Закона об обеспечении снижения потребления энергии и воды в государственных или муниципальных организациях. А до 1 января 2011 года органы государственной власти и местного самоуправления должны обеспечить завершение мероприятий по оснащению зданий, строений, сооружений приборами учета потребляемой воды, природного газа, тепловой и электрической энергии.

Предприятия будут обязаны принимать меры по дополнительной теплоизоляции помещений, утилизации и рекуперации тепла. Государство поставило в деле энергосбережения «точку отсчета». Наш университет, как бюджетное учреждение, должен по сравнению с прошлым годом уменьшить потребление энергии на 3%, а в течение пяти лет — на 15%. Деньги, которые выделяет на энергетические расходы федеральный бюджет, будут соответственно уменьшаться. При размещении заказов на поставку товаров и оказание услуг должны учитываться требования энергетической эффективности этих товаров.

Якутия, трубопровод

– В чем именно заключаются энергосберегающие технологии?

Р.Н.: Это, во-первых, автоматическое регулирование теплового режима зданий и применение альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, тепловые насосы и др.). Если взять административно-бытовые здания, то в нерабочие часы и дни, например, можно экономить на их освещении и отоплении. Во-вторых, это использование нового техрегламента по освещению с отказом от традиционных ламп накаливания – оно позволит сэкономить до 40% электроэнергии. В-третьих, утилизация тепла. Мы впустую тратим тепло, сливая горячую воду в канализацию. По строительным нормам в большей части помещений должен быть обеспечен один воздухообмен в час, а это значит, зимой нужно нагреть воздух, к примеру, от минус 40 до 21 градуса. Принимая во внимание объем здания, можно представить, сколько требуется энергии только на отопление. Эту тепловую энергию можно использовать. Если будет реализовано все, что предписывает закон, в ближайшие 2-5 лет можно будет сэкономить (по разным оценкам) от 15 до 40% энергии.

Продиктовано Севером

– Есть ли конкретные мероприятия по энергосбережению для районов Крайнего Севера?

Р.Н.: Все перечисленное имеет прямое отношение к северным территориям. Ну а в связи с тем, что Север потребляет намного больше энергии, мероприятия по ее экономии здесь приобретают еще большее значение. Например, расчетная температура при проектировании зданий в Москве – минус 28, в Красноярске – а это еще не север – показатель уже минус 40, в Богучанах дома строят, рассчитывая на минус 46, в Игарке – на минус 49, в Эвенкии – минус 55. Этот показатель рассчитывается по средней температуре самой холодной пятидневки. Помимо этого существует такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода, показывающая длительность отопительного периода и его среднюю температуру. Так вот, если для Москвы этот показатель составляет 4943 градусо-суток, то в Красноярске он равен 6575, а в поселке Ессей – 11532, почти в три раза больше, чем в столице.

– Как тогда там сэкономить?

Р.Н.: Только благодаря применению новых технологий. Развивая сырьевые отрасли, мы должны тратить полученную прибыль на разработку и внедрение новых способов энергосбережения. Необходимо вкладывать деньги в науку, в проекты. Не надо «стесняться» и заимствовать то хорошее, что есть в других странах. В Красноярском крае институт «Пром-стройНИИпроект» разрабатывает концепцию «Сибирского дома». К сожалению, СФУ пока не участвует в этом проекте, хотя есть предложение от института заняться разработкой эффективного жилья совместно. Реализация такого социального проекта, несомненно, даст толчок к развитию кластера специальных и энергоэффективных технологий, затраты на которые в условиях неослабевающего спроса на жилье должны быстро окупиться.

– Как, по-вашему, стоит ли вообще жить на Севере? Не проще ли добывать полезные ископаемые вахтовым методом, как это уже практикуется сегодня?

Ю.Г.: Я считаю, что жить на Севере можно. А к морозу привыкаешь быстро. Я, например, приехал туда с юга, из Дагестана, в январе 1959 года – и остался на десятилетия. В Норильске мы с женой год жили в бараке, с «удобствами» во дворе, потом в течение 11 лет – в доме, где бытовые условия тоже были трудными. Но Север проверяет людей, и в этом его особая прелесть.

Р.Н.: Надо использовать имеющийся у нас уникальный опыт возведения городов на Крайнем Севере. Университет может предложить комплексные решения всех основных проблем Заполярья, тем самым улучшая жизнь северян. На севере Сибири есть все полезные ископаемые, необходимые человеку. Глубокое освоение этих территорий неизбежно. И мы должны быть готовы к этому.

инженерные коммуникации, крайний север

Покуда вечна мерзлота: почему для строительства в Арктике нужны новые правила — Общество

МОСКВА, 20 апреля. /ТАСС/. Глобальное потепление климата и таяние вечномерзлых грунтов — одна из причин, по которым Минстрой РФ к 2020 году намерен создать новые регламенты для строительства в Арктике. Другая причина — необходимость введения новых правил эксплуатации зданий на территориях вечной мерзлоты, так как техногенные факторы непосредственно влияют на устойчивость фундаментов.

Отрицательная температура — вечная мерзлота

Есть мнение, что существующие нормы строительства в Арктике становятся неэффективными из-за глобального потепления. «Есть действующие нормативы, но они не отвечают современным требованиям безопасности в контексте климатических изменений. Считается, что мерзлота вечная, но это не так. Должны быть разработаны новые подходы», — рассказал ТАСС директор норильского научно-исследовательского центра изучения мерзлоты «Экофундамент» Али Керимов. Эта компания занимается проектированием зданий для арктических условий с 1950-х годов (когда началось строительство современного Норильска).

Другие эксперты говорят, что климат в Арктике меняется уже на протяжении полувека, и за это время ничего страшного со зданиями не произошло — только если строения неправильно эксплуатировались. По словам заведующего лабораторией инженерной геокриологии Института мерзлотоведения СО РАН Дмитрия Шестернева, на территории вечной мерзлоты в России температура повышается с 1960-х годов — рост в зависимости от района составляет до 0,02 градуса Цельсия, среднегодовая температура грунта колеблется от минус 13 до минус 3 градусов.

«Глобальное потепление климата мало сказывается на изменении качества зданий, построенных на сваях. Если здание начинает разрушаться, то это либо ошибки в проектировании и изысканиях, либо неправильная эксплуатация», — сказал Шестернев.

По словам заведующего лабораторией геоэлектрики Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН Владимира Оленченко, за последние 30 лет температура вечной мерзлоты уже поднялась на 1,5-2 градуса, но проблемы с грунтами зачастую обусловлены человеческим фактором. «В Забайкальском крае, например, в Чите, мерзлота деградировала. Но это не привело к массовому разрушению домов. Обнаруженные деформации оказались связаны с ошибками в эксплуатации — мерзлоту растопили утечки воды», — сказал Оленченко.

Как сообщил ТАСС заместитель генерального директора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект» Александр Рязанов, сооружения обычно рассчитываются на 30-50 лет эксплуатации, и за этот срок грунты не растают. «Даже при потеплении климата в ближайшие десятилетия температура останется в отрицательном диапазоне. Потепление произойдет не единовременно. Мы проводили расчеты для месторождения в Новом Уренгое, и увидели, что через 30 лет потепление может только начать сказываться на сооружениях, при этом техногенный фактор оказался гораздо сильнее», — сказал Рязанов.

Технологии на страже мерзлоты

Эксперты сходятся во мнении, что существующие строительные технологии способны защитить здания и сооружения от аварийных ситуаций, связанных с таянием грунтов. Потепления надо опасаться куда менее серьезно, чем техногенных воздействий на мерзлоту.

По мнению эксперта «Фундаментпроекта», важно ответственно подходить к выбору мест под застройку — мерзлота не сплошная, а чередуется с талыми участками. «Обычно на Севере строят сооружения с вентилируемым подпольем на сваях, чтобы сохранить мерзлоту. Если такое здание поставить на талый участок, то сваи начнет выталкивать пучением из грунта из-за промерзания. Бывают случаи, когда строить надо без вентилируемого подполья — с полами по грунту, и тогда тепло идет прямо в грунт. Если строить здание на мерзлоте, то, конечно, возникает опасность, что грунт деформируется в процессе оттаивания и появятся просадки», — рассказал Александр Рязанов.

На эту тему

Специалисты считают, что основные проблемы строительства на Севере — расчет поведения вечно мерзлых грунтов и эксплуатация сооружений. «Меняется тепловой баланс поверхности, где-то происходит растепление вечно мерзлых грунтов, где-то их переохлаждение. Есть примеры масштабной деформации грунтов, например, при добыче нефти. Скважины очень существенно воздействуют на мерзлоту, и в итоге они выходят из строя, возникают аварии», — отметил Рязанов.

Для сохранения мерзлоты существуют специальные установки, замораживающие грунт, которые защищают фундамент от деформации, пояснили ТАСС в «Фундаментпроекте». Также в тундре для строительства применяют насыпи, которые обдуваются ветрами.

В «Заполярной строительной компании» (входит в группу «Норникель») ТАСС рассказали о решениях, которые применяются для строительства в Арктике. «Мы делаем фундаменты с опорой на скальное основание или свайные фундаменты с опорой на вечномерзлые грунты, при этом состояние мерзлоты обязательно сохраняется. Конструкции изготавливаются из стали, устойчивой к низким температурам, и в последнее время для ограждения конструкций предпочтение отдается облегченным сэндвич-панелям, которые сохраняют тепловой контур здания. Для улучшения эксплуатации зданий компания ежегодно ремонтирует значительный объем фондов», — сказал представитель «Заполярной строительной компании».

Новые требования — новые регламенты

Арктические регионы — стратегически важные территории для России, и масштабные проекты требуют новых регламентов в строительства. По предложению Минстроя РФ Минэкономразвития включило в госпрограмму по развитию Арктики проект по созданию обновленных правил для строителей. Эксперты Минстроя говорят о том, что техногенные воздействия коренным образом изменяют тепловое состояние пород Арктической зоны, и это приводит к развитию опасных процессов, которые увеличивают риск деформации или полного разрушения несущих конструкций зданий. Новые регламенты должны быть разработаны к 2020 году, Минстрой готов провести для работы комплекс научных исследований.

«Мы предложили в рамках госпрограммы по развитию Арктики провести ряд научно-исследовательских работ, подготовить базу для разработки нормативно-технической документации. К 2020 году мы должны получить определенные результаты испытаний и начать выпуск документации. Научных кадров сейчас достаточно, они готовы принимать участие в этой работе. Той нормативной базы, которая существует еще с советских времен, явно недостаточно для решения тех серьезных и стратегически важных проектов, которые сейчас уже начинают развиваться в Арктике», — сказала ТАСС заместитель министра строительства РФ Елена Сиэрра.

Как сообщил ТАСС замглавы Минэкономразвития Александр Цыбульский, инициатива Минстроя уже включена в проект госпрограммы по развитию Арктики. «В программе есть целый раздел, посвященный проведению научно-исследовательских работ по организации строительства в условиях вечной мерзлоты», — сказал он.

Подготовительные работы включат в себя изучение мерзлых грунтов. «Мы предлагаем провести исследовательскую работу по изменению температуры грунтов, в первую очередь, в крупных городах арктической зоны. В последние годы происходят изменения климата, что может спровоцировать таяние мерзлоты. Также в регионах нет постоянного мониторинга состояния грунтов, мы предлагаем обеспечить его на постоянной основе для составления карты грунтов, а также возможности прогнозирования ситуации с перспективной на 50 лет», — рассказала Сиэрра.

В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске — другие условия, не такие тяжелые, как у нас

Александр Рязанов

заместитель гендиректора по проектно-изыскательским работам АО «Фундаментпроект»

Минстрой в рамках подготовки регламентов также изучит российский и международный опыт применения строительных материалов в Арктике. «Планируется, что инновационные материалы будут в большинстве своем нашими (российскими — прим. ТАСС) разработками, хотя мы используем и наработки других стран из арктической зоны. У нас уже есть композитная арматура, композитные сваи — этим наши передовые компании занимаются достаточно давно», — отметила Елена Сиэрра.

Александр Рязанов считает, что России достаточно собственного опыта для создания новых технологий и стройматериалов для Арктики — более половины территорий страны занимает мерзлота, и опыт работы здесь составляет десятки лет.

«В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске — другие условия, не такие тяжелые, как у нас», — подчеркнул эксперт.

Фундаменты на вечномерзлых грунтах — теплоизоляция

Теплоизоляция фундаментов на вечномерзлых грунтах

Вопросы строительства на вечномёрзлых грунтах приобретают всё большую актуальность. Освоение Арктики, где открыты богатые месторождения нефти и газа, становится одной из приоритетных задач развития страны. 

Из-за особенностей вечной мерзлоты строительство в данных условиях имеет свою специфику на всех стадиях реализации строительного проекта: инженерных изысканий, проектирования, строительных работ на площадке.

Специфика проектирования объектов на вечномерзлых грунтах

В зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, а также инженерно-геокриологических условий применяется один из следующих принципов  использования  вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:

• принцип I – многолетнемерзлые грунты основания остаются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации сооружения;
• принцип II –  использование в качестве основания предварительно оттаявших грунтов или грунтов оттаивающих в период эксплуатации сооружения.

Для объектов на вечномерзлых грунтах проектируются фундаменты на подсыпках из песчаного грунта с теплоизоляцией, что значительно снижает затраты денег и труда на строительство, но при этом сохраняется высокая надежность зданий и сооружений. Подсыпки под фундаменты зданий сооружаются из песка, щебня, гравий, гравийно- и щебеночно-песчаных смесей. Для возведения объектов на подсыпках в условиях вечной мерзлоты распространены ленточные фундаменты, как наиболее надежные и лучше воспринимающие неравномерные деформации, которые необходимо учитывать на стадии проектирования.

Деформации при промерзании-оттаивании материала подсыпки ниже подошвы фундамента могут быть вызваны следующими факторами:

• в материале подсыпки могут оказаться глинистые примеси в количестве выше допустимых, что при промерзании подсыпки вызовет ее пучение;

• материал подсыпки может быть недостаточно уплотнен, что при передаче на него полезной нагрузки вызовет неравномерные осадки.

В проекты объектов в условиях вечной мерзлоты в качестве теплоизоляции фундаментов целесообразно закладывать ПЕНОПЛЭКС^®.

В течение многих лет накоплен успешный опыт проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов на подсыпках в районах Крайнего Севера по принципу I (сохранение мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации) с применением ПЕНОПЛЭКС^®. Наличие этой высококачественной теплоизоляции в теле подсыпки существенно снижает мощность (толщину) подсыпки и увеличивает надежность вечномерзлых оснований.

Схема обустройства фундамента на вечномерзлом грунте с теплоизоляцией ПЕНОПЛЭКС^®

Разрез вентилируемого подполья здания с фундаментом.

1. центральные плиты ПЕНОПЛЭКС^®;
2. краевые плиты ПЕНОПЛЭКС®;
3. угловые плиты ПЕНОПЛЭКС®;
4. фундамент;
5. подсыпка;
6. цоколь здания;
7. вентиляционное отверстие;
8. стена здания;
9. перекрытие над вентилируемым подпольем;
10. дерн.

План раскладки плит ПЕНОПЛЭКС^®

Основным документом, регламентирующим проектирование, служит СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». В развитие этого и других нормативов ООО «ПЕНОПЛЭКС СПб» совместно с ФГУП НИЦ «Строительство» разработано «Руководство по применению теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЭКС^® при проектировании и устройстве фундаментов зданий и опор трубопроводов на подсыпках на многолетнемерзлых грунтах». В настоящее время нормативная методика расчета фундаментов на подсыпке с использованием синтетических теплоизоляторов отсутствует, и данный документ восполняет указанный пробел при строительстве на вечномерзлых грунтах. При создании методики выполнен большой объем аналитических расчетов и разработаны математические модели теплового и механического взаимодействия теплоизолированных фундаментов на подсыпке с вечномерзлыми грунтами.

Специфика строительных работ по устройству фундаментов на вечномерзлых грунтах

Устройству фундаментов на подсыпках должны предшествовать следующие подготовительные работы: вырубка кустарника и корчевка пней; осушение площадки путем устройства водоотводных и нагорных канав, кюветов, лотков и т.п. с отводом воды в пониженные места; устройство подъездных путей и ЛЭП; строительство инженерных сетей до колодцев ввода и заглубленных конструкций, предусмотренных проектом.

При устройстве фундаментов на подсыпках следует избегать оттаивания грунтов в основании подсыпки в период строительства, что достигается ведением работ только в зимнее время после промерзания слоя сезонного оттаивания. При этом следует не допускать попадание в тело подсыпки снега и льда. Для ускорения промерзания слоя сезонного оттаивания рекомендуется в пределах контура подсыпки очищать снег.

Строительство фундаментов на подсыпках начинают с отсыпки рабочего слоя, по которому укладываются плиты ПЕНОПЛЭКС^®, затем, если сооружается здание, то по плитам возводятся фундаменты, после чего отсыпается защитный слой и по нему устраивается бетонная или асфальтовая стяжка. Материал, применяемый для устройства подсыпки, должен быть непучинистым (содержание глинистых примесей не должно превышать 10% по  весу), в уплотненном состоянии должен дренировать воду.

При возведении монолитных фундаментов следует руководствоваться нормативными документами на производство бетонных и железобетонных работ, а также местным опытом строительства. После монтажа сборных фундаментов или укладки бетона в монолитный фундамент следует произвести досыпку крупно скелетного грунта до проектной отметки с его тщательным уплотнением

После устройства фундаментов и досыпки грунта надлежит закончить планировку площадки вокруг фундамента с обеспечением стока воды от здания.

     

Преимущества теплоизоляции ПЕНОПЛЭКС^® для применения в фундаментах с подсыпкой на вечномерзлых грунтах:

• Из многочисленных преимуществ высококачественной теплоизоляции ПЕНОПЛЭКС^® наиболее важными для применения в фундаментах на вечномерзлых грунтах являются отличные теплозащитные свойства, высокая прочность и длительный срок службы.

• Очень низкая теплопроводность материала (0,034 Вт/м-К) обеспечит надежный заслон передаче тепла от фундамента до грунта, который сохранит свое мерзлое состояние на весь период эксплуатации.

• Теплоизоляция фундамента постоянно находится в нагруженном состоянии, и высокая прочность на сжатие ПЕНОПЛЭКС^®, которая составляет минимум 20 т/м², позволит избежать нежелательных деформаций.

• ПЕНОПЛЭКС^® сохраняет свои теплотехнические свойства в условиях самой жесткой эксплуатации на протяжении более 50 лет: это показали  испытания теплоизоляционных плит на долговечность в НИИ строительной физики (протокол № 132-1 от 29 октября 2001 года).

• Высококачественная теплоизоляция ПЕНОПЛЭКС^® и надежная методика расчета фундаментов на вечномерзлых грунтах обеспечивают оптимальные технические решения для объектов в условиях Крайнего Севера.

«Нормы строительства на вечной мерзлоте пора пересмотреть»

#НОРИЛЬСК. «Таймырский телеграф» – «Норникель» усиливает мониторинг за состоянием промышленных зданий и сооружений и привлекает ведущие институты Российской академии наук для решения вопросов, связанных с растеплением грунтов.

Несмотря на попытки сохранить поплывший фундамент, дом на Московской, 14, признали аварийным и расселили

Ученые, изучающие вечную мерзлоту в регионах Крайнего Севера, считают, что необходимо пересмотреть строительные нормы и методы работы, чтобы не допустить возможных рисков, связанных с растеплением грунтов. Иначе северные территории могут оказаться не готовы к проблемам, связанным с потеплением.

Ученые из института прикладной механики и Московского государственного строительного университета, приехавшие в Норильск по приглашению компании «Норникель», рассказали, что у них есть решения и технологии, способные помочь безопасно эксплуатировать здания в условиях глобального потепления.

Специалисты говорят, что деградация мерзлоты в Сибири уже приобретает массовый характер. В зоне риска находятся Дудинка, Новый Уренгой, Норильск, Воркута, Магадан, Якутск и другие северные города.

По мнению ученых, посетивших Норильск, важно, чтобы наработки стали новыми государственными нормами, что называется, пока не поздно.

«Страна сейчас стоит перед новым глобальным вызовом. Этот вызов связан с потеплением климата, точнее, с изменением температуры в Северном полушарии. Как свидетельствуют климатологи, в последние 15–20 лет температуры стремительно возрастают, а на территории РФ – с опережением. Это, конечно, приводит к большим последствиям: грунты и вообще природа Севера – многое начинает трансформироваться, приспосабливаться к новым температурам», – рассказал заместитель директора института прикладной механики РАН, заведующий лабораторией геомеханики, заведующий кафедрой прикладной геомеханики Московского государственного строительного университета Михаил Королев.

Многолетними мерзлыми грунтами занято примерно 63 процента территории РФ. Они являются основанием всех сооружений, и их свойства – прочность и деформируемость – сильно зависят от температуры: чем холоднее, тем прочнее.

Мониторинг состояния свайных фундаментов в Норильске, осень 2020 года

«Существующая инфраструктура в северных регионах из-за изменения температуры начинает трещать. Примерно 75 процентов зданий и сооружений построены по принципу сохранения вечной мерзлоты. То есть дома строят на сваях, которые вмораживают в грунт, делают вентилируемое подполье и дальше возводят сооружение. Но сейчас площадь мерзлоты стремительно сокращается. Глубина сезонного оттаивания и промерзания тоже меняется. Если в вашем регионе колебания положительных и отрицательных температур за летне-зимний период происходили где-то на глубине двух метров, то сейчас – на четырех-шести. Сами грунты раньше имели температуру минус шесть градусов, а теперь она поднялась до минус 2,5», – рассказал ученый.

Норильск называют «городом на сваях». От состояния вечной мерзлоты зависит устойчивость всех сооружений на Севере

Михаил Королев подчеркнул, что изменение температуры даже на один градус часто ведет к потере несущей способности свай на 50 процентов.

«В обычных грунтах деформация развивается достаточно быстро. А в мерзлых может развиваться в течение нескольких и даже десятков лет. Это сложный процесс, который надо устанавливать. Сейчас сделано очень много наработок, они позволяют решить все эти проблемы. Например, ускорить проведение биомеханических испытаний в десятки раз, также в десятки раз повысить их информативность. Это проверено, это нужно внедрять. По инициативе Минстроя, и инициативу проявил Московский государственный строительный университет, сейчас создается консорциум среди крупнейших строительных вузов, институтов Академии наук, цель которого – приблизить фундаментальную науку к отраслевой, вузовской науке и создать рабочий симбиоз, выработать пакет проектов и совместно их реализовывать. До предприятий это дойдет в виде норм», – отметил Михаил Королев.

Ранее «ТТ» рассказывал, что в 2020 году мерзлота в Арктике таяла на 30 процентов быстрее. Деградацию вечной мерзлоты в Российской Арктике изучила международная экспедиция.

Подписывайтесь на нас в Telegram, Instagram и Facebook.

Анжелика Степанова

Фото: Николай Щипко, Ольга Полянская и пресс-служба «Норникеля»

12 мая, 2021

Последние новости

Похожие новости

Как строят дома на вечной мерзлоте: bepowerback — LiveJournal

Строительство зданий возможно производить при любых климатических условиях, но у каждой природно-климатической зоны есть свои особенности, поэтому и строить на вечной мерзлоте приходится по-особенному. Здесь вы можете увидеть привычные нам и бараки, и пятиэтажки, и высотки, но с очень примечательным признаком. 

Источник: https://zen.yandex.ru/media/bepowerback/kak-stroiat-doma-na-vechnoi-merzlote-5e44703c11c5181b5f6f59cc

Область вечной мерзлоты занимает около двух третей площади нашей страны. Здесь прокладывают дороги, возводят заводы, шахты и целые города.

Я всегда думал, что вечная мерзлота на самом деле вечная и как раз идеальный фундамент для строительства. Но не все так просто, дело в том, что первые метр-два почвы оттаивают летом от солнца и могут превратиться в жидкое месиво.

Тогда дом, построенный на обычном фундаменте, может сам в нее провалиться или просто покоситься. Поэтому строительство на вечной мерзлоте имеет ряд трудностей, которые давно пытались решить. Известны случаи разрушения неправильно построенных домов в Чите, «плывут» некоторые участки БАМа.

В итоге на севере применяются два варианта постройки домов, которые решают основную задачу — не дать теплу от дома подогревать фундамент под самим домом.

Первый вариант — непосредственно на самом грунте, в этом случае необходима высокая теплоизоляция между домом и почвой, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.

Второй вариант на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием, обеспечивая естественную вентиляция мерзлой поверхности

Также в Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Их и сейчас много там. Но вот с многоэтажками все намного сложнее.

Существует множество видов свай, но самая популярная — буронабивная, когда специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, а в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном.

Чаще всего пространство под домом остается закрытым, но встречаются и варианты, когда их закрывают решетками. Видимо, чтобы никто не лазил.

Также для борьбы с ветром кварталы северных городов строили замкнутым контуром и узкими разрывами между домами, благодаря чему получалось снижать скорость ветра и минимизировать его внутри кварталов.

Для сохранения в мерзлом состоянии грунтов в свайном основании иногда применяют капсулированные трубчатые погружные жидкостные либо парожидкостные устройства –термостабилизаторы, которые помещают в специальные скважины, пробуренные рядом с опорным фундаментом для создания холодного экрана. Выглядит это вот так

Интересно происходит и прокладка коммуникаций. Трубы прокладывают либо поверху,  либо укладывают в несколько раз глубже под землю, чем в обычных районах. Здесь на фото видно, как труба проходит на высоте примерно 1.5 метров над землей.

Ставим лайк и подписываемся на мой канал: https://zen.yandex.ru/bepowerback

Источник: https://zen.yandex.ru/media/bepowerback/kak-stroiat-doma-na-vechnoi-merzlote-5e44703c11c5181b5f6f59cc

Building on Permafrost — Alaska Business Magazine

«Существует множество подходов к проектированию и строительству в местах вечной мерзлоты», — говорит Майкл Хенрикс, главный архитектор архитекторов Аляски. «В зависимости от функциональных, календарных и бюджетных требований для проекта можно использовать комбинацию подходов, почти все из которых пассивны в своих методах удержания тепла от земли».

Пассивные подходы не зависят от электричества; они работают либо за счет подъема конструкции над землей, либо за счет использования холодильных систем, в которых используются жидкости, физические свойства которых меняются от жидкости к газу при температурах выше и ниже 32 градусов, объясняет Хенрикс.Когда газ поднимается, он выделяет тепло над землей. При этом газ конденсируется в жидкость, которая падает обратно на дно системы, где снова может собирать тепло, расширяться и подниматься, выделяя тепло над поверхностью.

Двумя основными формами пассивных систем охлаждения являются термобатареи (сифонирующие стойки) и термосифоны.

«Термосифоны — это длинные герметичные трубки, которые устанавливаются в землю под конструкцией, а верхняя часть подвергается воздействию холодного зимнего воздуха», — поясняет Грунау.«Вещество с изменяющейся фазой внутри трубы отводит тепло от земли и выпускает его в холодный зимний воздух. Эта система не имеет движущихся частей и не требует энергии для работы ».

Использование в проекте термобатарей или термосифонов является результатом многих факторов, в том числе функциональных требований здания.

Если лестницы или пандусы будут препятствовать функционированию здания, проектировщики вынуждены исключить использование термобатарей, используя вместо них термосифоны. Термосифоны также предпочтительны для зданий с большой нагрузкой на пол, поскольку система перекрытия на уровне земли обычно более экономична, чем пол со структурной опорой.

«В условиях вечной мерзлоты плита на грунте с системой из незамерзающего гравия, теплоизоляции и термозондов (наше торговое название ненесущих термосифонов) обычно более экономична, чем конструкционный пол с свайной опорой», — говорит Ярмак. . «Также здесь немного удобнее въезжать по сравнению с конструкциями, опирающимися на сваи. Если не будет доступного гравия, не подверженного заморозкам, то экономические показатели могут измениться ».

Однако, если цель состоит в том, чтобы оказать наименьшее воздействие на ландшафт, оставив его в его естественном состоянии, сваи или термобатареи — лучший вариант, объясняет Хенрикс.

«Не хотелось бы закапывать ландшафт, окружающий сооружение, гравием, если это движущая сила дизайна», — говорит Хенрикс. «В проектах, связанных с жильем, часто может потребоваться такой подход, или в домах для экотуризма и т.п.».

Сваи и термобатареи остаются самым популярным средством предотвращения оттаивания. Простые свайные конструкции обеспечивают определенный уровень защиты от вечной мерзлоты, поскольку они создают разделение между источником тепла и мерзлым грунтом, обеспечивая эффект затенения на земле под зданием и помогая блокировать изолирующий грунт снег от накопления на земле под ним. из-за чего он подвергается воздействию экстремально низких зимних температур.

«Эрв Лонг, работающий в Инженерном корпусе армии США, разработал термобатарею в 1960-х годах», — говорит Хенрикс. Термобатарея представляет собой свайную систему с пассивным охлаждением, которая сочетает в себе подход свайного фундамента с технологией пассивного охлаждения, позволяя процессу теплопередачи отбирать тепло из земли, окружающей сваю.

«В настоящее время используется более 900 установок, использующих этот и аналогичные технологические подходы, и намного больше в дизайне, как мы говорим», — говорит Хенрикс.«Сегодня такие компании, как Arctic Foundations, предлагают различные конфигурации подходов к технологиям пассивного охлаждения для проектирования фундаментов конструкций над вечной мерзлотой».

Хотя термобатарея — не совсем новая технология, Ярмак отмечает, что продукция Arctic Foundations улучшена и что линейка продукции компании в настоящее время больше, чем у любого другого производителя термосифонов в мире.

«Эти устройства используются для обеспечения отрицательного теплового баланса в вечной мерзлоте, предотвращая ее нагревание и потерю прочности», — говорит Ярмак.«Обычно изоляция также используется для минимизации поступления тепла в вечную мерзлоту, но не всегда. Мы полагаем, что по мере потепления климата потребность в термосифонах возрастет ».

Хрупкое будущее дорог и зданий, построенных на вечной мерзлоте

В этом регионе — и в различных других холодных климатических условиях — вечная мерзлота, которая держалась тысячи лет, теперь просачивается в теплеющую почву. Здания, дороги, железные дороги и трубопроводы, построенные в этих районах, все чаще подвергаются риску повреждения.

Таяние вечной мерзлоты представляет опасность для всего мира, поскольку в ней хранятся огромные объемы углерода, который может быть выброшен в атмосферу. Но в ближайшей перспективе именно люди, живущие в этих регионах, первыми почувствуют воздействие, потому что потепление происходит быстрее, например, в Арктике и горных районах.

На протяжении многих веков коренные народы, живущие в холодных регионах, могли адаптироваться к климату. Но когда промышленно развитые общества перебрались в эти отдаленные места, они стремились освоить арктическую дикую природу с помощью бетона и стали.К сожалению, индустриализация также ускорила изменение климата, в результате чего в этих регионах стали теплее.

Список построек и построек, пострадавших от вечной мерзлоты, обширен и разнообразен. Сюда входят стены многоквартирных домов в российском городе Якутске, которые сейчас трескаются. Трубопроводы в России и других странах могут выйти из строя из-за сдвига грунта, что может привести к катастрофическим разливам нефти. Или возьмем церковь Богоматери Победы в Инувике, на Северо-Западных территориях Канады, где духовенство на протяжении многих лет наблюдало, как здание деформируется по мере того, как земля оседает внизу.

Инженеры теперь должны учитывать опасные колебания некогда твердой почвы. По мере того как они это делают, они придумывают инновационные способы охлаждения Земли под их ногами, чтобы попытаться спасти человеческие структуры от великой дестабилизирующей оттепели.

Вам также может понравиться:

Ги Доре лично видел местные эффекты. Длинные трещины на асфальте дороги могут распространяться настолько широко, что вы можете упереться ногой в пропасть. Доре из Университета Лаваля в Канаде много лет изучал влияние таяния вечной мерзлоты на строящуюся инфраструктуру.«Проблемы огромны», — говорит он, добавляя, что примерно половина из 3–4 000 км (1800–2500 миль) дорог, построенных в районах вечной мерзлоты в Канаде, рискуют стать нестабильными из-за таяния: «Мы говорим о миллионах долларов дополнительных затрат на техническое обслуживание в тех областях, где у вас не так много ресурсов для этого «.

Оседание грунта из-за таяния вечной мерзлоты — медленный, постепенный процесс. Если участок асфальта треснет, его нельзя просто залить заново и оставить. Поскольку земля продолжает деформироваться, повреждения появятся снова, возможно, уже через год.

Когда люди строили дороги в этих изолированных районах, они предполагали, что таяние льда в земле может угрожать устойчивости дорог, — говорит Доре. Таким образом, инженеры середины 20-го века обычно насыпают гравий на ледяную почву, прежде чем строить дорогу наверху. Этот гравий изолирует землю внизу, заставляя слой вечной мерзлоты подниматься на более высокий уровень, стабилизируя местность. Но в некоторых местах этот буфер уже не эффективен, потому что большая часть льда растаяла.

«Мы находимся в точке, где происходит деградация старой вечной мерзлоты, вечной мерзлоты, которая никогда не таяла», — говорит Доре.

Вечная мерзлота | геология | Британника

Полная статья

Вечная мерзлота , многолетняя мерзлота, природный материал с температурой ниже 0 ° C (32 ° F) непрерывно в течение двух или более лет. Такой слой мерзлого грунта обозначается исключительно исходя из температуры. Часть или вся его влага может быть разморожена, в зависимости от химического состава воды или снижения точки замерзания капиллярными силами.Например, вечная мерзлота с соленой почвенной влажностью может быть ниже 0 ° C в течение нескольких лет, но не содержит льда и, следовательно, не может быть прочно зацементирована. Однако большая часть вечной мерзлоты укреплена льдом.

Вечная мерзлота без воды и, следовательно, без льда, называется сухой вечной мерзлотой. Верхняя поверхность вечной мерзлоты называется столбом вечной мерзлоты. В районах вечной мерзлоты поверхностный слой почвы, который промерзает зимой (сезонно промерзшая земля) и оттаивает летом, называется активным слоем. Толщина активного слоя в основном зависит от содержания влаги и варьируется от толщины менее фута во влажных органических отложениях до нескольких футов в хорошо дренированном гравии.

Вечная мерзлота формируется и существует в климате, где средняя годовая температура воздуха составляет 0 ° C или ниже. Такой климат, как правило, характеризуется продолжительной холодной малоснежной зимой и коротким относительно сухим прохладным летом. Таким образом, вечная мерзлота широко распространена в Арктике, субарктике и Антарктиде. По оценкам, он составляет 20 процентов поверхности суши в мире.

Зоны вечной мерзлоты

Вечная мерзлота широко распространена в северной части Северного полушария, где она встречается на 85% территории Аляски, 55% территории России и Канады и, возможно, на всей территории Антарктиды.Вечная мерзлота распространена шире и на севере простирается на большую глубину, чем на юге. Его толщина составляет 1500 метров (5000 футов) в северной Сибири, 740 метров в северной Аляске и постепенно уменьшается к югу.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Большую часть вечной мерзлоты можно разделить на две широкие зоны; непрерывный и прерывистый, относящиеся к боковой непрерывности вечной мерзлоты. В сплошной зоне крайнего севера вечная мерзлота присутствует почти повсюду, за исключением участков под озерами и реками, которые не промерзают до дна.Прерывистая зона включает многочисленные участки, свободные от вечной мерзлоты, которые постепенно увеличиваются в размерах и количестве с севера на юг. Вблизи южной границы обнаружены лишь редкие участки вечной мерзлоты.

В дополнение к тому, что вечная мерзлота широко распространена в арктических и субарктических районах Земли, вечная мерзлота существует также в более низких широтах и ​​в высокогорных районах. Этот вид многолетней мерзлоты называют альпийской вечной мерзлотой. Хотя данных с высоких плато и гор мало, измерения, проведенные ниже активного поверхностного слоя, указывают на зоны, где температура 0 ° C или ниже сохраняется в течение двух или более лет.Самая большая площадь альпийской вечной мерзлоты находится в западном Китае, где, как известно, существует 1 500 000 квадратных километров (580 000 квадратных миль) вечной мерзлоты. В прилегающих к США территориях вечная мерзлота в Альпах ограничена примерно 100 000 квадратных километров в высоких горах на западе. Вечная мерзлота встречается на высоте всего 2500 метров в северных штатах и ​​около 3500 метров в Аризоне.

Уникальное явление вечной мерзлоты — не имеющее аналогов на суше — находится под Северным Ледовитым океаном, на северных континентальных шельфах Северной Америки и Евразии.Это известно как подводная или морская вечная мерзлота.

Изучение вечной мерзлоты

Хотя существование вечной мерзлоты было известно жителям Сибири на протяжении веков, ученые западного мира не принимали всерьез отдельные сообщения о большой толщине мерзлого грунта, существующей под северными лесами и лугами до 1836 года. Затем Александр Теодор фон Миддендорф измерил температуры на глубине примерно 100 метров в вечной мерзлоте в Шаргинском валу, неудачном колодце, вырытом для губернатора Российско-Аляскинской торговой компании в Якутске, и оценил толщину вечной мерзлоты в 215 метров.С конца 19 века российские ученые и инженеры активно изучали вечную мерзлоту и применяли результаты своих исследований при освоении севера России.

Точно так же старатели и исследователи знали о вечной мерзлоте в северных регионах Северной Америки в течение многих лет, но только после Второй мировой войны ученые и инженеры в Соединенных Штатах начали систематические исследования вечномерзлых грунтов. и Канада. С тех пор, как в 1970-х годах началась серьезная эксплуатация огромных запасов нефти на северных континентальных шельфах, исследования вечной мерзлоты под водой продвигались даже быстрее, чем исследования вечной мерзлоты на суше.

Исследования вечной мерзлоты в Альпах начались с изучения каменных ледников в Альпах Швейцарии. Хотя было известно, что лед существует в каменных ледниках, только после Второй мировой войны геофизические исследования четко продемонстрировали медленное движение многолетних льдов, то есть вечной мерзлоты. В 1970-х и 1980-х годах в России, Китае и Скандинавии начались подробные геофизические работы, температура и исследование скважин вечной мерзлоты в горах, особенно в отношении строительства в высокогорных районах и на плато.

Происхождение и устойчивость вечной мерзлоты

Температура воздуха и температура земли

В районах, где средняя годовая температура воздуха становится ниже 0 ° C, часть земли, промерзшей зимой, летом не оттаивает полностью; поэтому слой вечной мерзлоты будет формироваться и каждый год будет постепенно расти вниз из сезонно мерзлого грунта. Слой вечной мерзлоты будет становиться толще каждую зиму, и его толщина будет определяться тепловым балансом между тепловым потоком из недр Земли и потоком тепла наружу в атмосферу.Этот баланс зависит от среднегодовой температуры воздуха и геотермического градиента. Средний геотермический градиент увеличивается на 1 ° C (1,8 ° F) на каждые 30–60 метров глубины. В конце концов, сгущающийся слой вечной мерзлоты достигает равновесной глубины, на которой количество геотермального тепла, достигающего вечной мерзлоты, в среднем равно тому, которое теряется в атмосферу. Требуются тысячи лет, чтобы достичь состояния равновесия, при котором толщина вечной мерзлоты составляет сотни футов.

Годовые колебания температуры воздуха от зимы к лету слабо отражаются в нескольких верхних метрах земли.Это колебание быстро уменьшается с глубиной, составляя всего несколько градусов на высоте 7,5 метров и едва заметное на расстоянии 15 метров. Уровень нулевой амплитуды, при котором колебания практически не обнаруживаются, составляет от 9 до 15 метров. Если вечная мерзлота находится в тепловом равновесии, температура на уровне нулевой амплитуды обычно считается минимальной температурой вечной мерзлоты. Ниже этой глубины температура неуклонно повышается под воздействием тепла из недр Земли. Температура вечной мерзлоты на глубине минимального годового сезонного изменения колеблется от около 0 ° C на южной границе вечной мерзлоты до -10 ° C (14 ° F) на севере Аляски и -13 ° C (9 ° F) на северо-востоке Сибири. .

По мере того, как климат становится холоднее или теплее, но при поддержании средней годовой температуры ниже 0 ° C, температура вечной мерзлоты соответственно повышается или понижается, что приводит к изменению положения основания вечной мерзлоты. Положение кровли вечной мерзлоты будет понижаться в результате таяния, когда климат станет более теплым до средней годовой температуры воздуха выше 0 ° C. Скорость изменения основания или кровли вечной мерзлоты зависит не только от количества климатических колебаний, но также от количества льда в грунте и состава грунта, условий, которые частично контролируют геотермический градиент.Если известен геотермический градиент и если температура поверхности остается стабильной в течение длительного периода времени, то, следовательно, можно предсказать, зная среднегодовую температуру воздуха, толщину вечной мерзлоты в конкретной области, удаленной от тел. воды.

Проект дороги

UAF стал образцом для строительства вечной мерзлоты

UAF, фото JR Ancheta
Thompson Drive, главный переход к университетскому городку UAF, был спроектирован инженерами UAF и специалистами по планированию Министерства транспорта Аляски, чтобы избежать коробления дорог, типичного для районов с вечной мерзлотой.

Скачать текст и подписи к фотографиям можно здесь.

Когда более десяти лет назад началось планирование новой подъездной дороги к Университету Аляски в Фэрбенксе, было ясно, что эта высокопрофессиональная работа имела приличные шансы обернуться фиаско.

Недавно построенный Томпсон Драйв представит полосу черного асфальта на слое едва мерзлого грунта. Если проект заставит почву прогреться всего на долю градуса, вечная мерзлота под дорогой начнет таять, в результате чего тротуар проседает и прогибается.

Планировщики из Министерства транспорта Аляски уже видели это раньше. Предыдущая дорога, которая соединяла Гейст-роуд с UAF, была заброшена, потому что тающая вечная мерзлота под ней осела, в результате чего дорога обвалилась с моста, пересекающего железнодорожные пути возле кампуса.

Когда инженеры проектировали новую подъездную дорогу к университетскому городку, они знали, что она должна выдержать более высокий уровень прочности, чем предыдущая.

«Меньше всего они хотели повторять эти проблемы снова и снова», — сказал Дуг Геринг, декан инженерного и горного колледжа UAF.«Захотите вообще с этой вечной мерзлотой, и вы говорите о ее таянии — это проблема района Фэрбенкс, если она незначительна».

Имея это в виду, инженеры UAF и дорожные проектировщики DOT решили принять беспрецедентные меры, чтобы вечная мерзлота не замерзла. Их эксперимент с дорожным дизайном превратился в долгую историю успеха, некоторые элементы которой были заимствованы в проектах по всему интерьеру.

Фото Дуга Геринга
Незамерзающие полосы на Томпсон Драйв создаются термосифонами под дорогой, предназначенными для того, чтобы не замерзнуть лежащая под ними вечная мерзлота.

Когда в 2001 году началось проектирование, строительный проект стоимостью 16 миллионов долларов включал в себя несколько новых технологий для предотвращения замерзания вечной мерзлоты.

Большая часть Томпсон Драйв построена на огромной куче грубых камней размером с грейпфрут, что позволяет воздуху циркулировать под проезжей частью. Конструкция, называемая воздушно-конвекционной насыпью, позволяет теплому воздуху подниматься под дорожное полотно, а холодному — опускаться вниз, перегревая вечную мерзлоту в зимнее время. Этот эффект также помогает охладить обочины дороги, где изолирующий слой вспаханного снега обычно предотвращает попадание глубокого зимнего холода на мерзлую землю.

Газонаполненные трубки, называемые термосифонами на шпильках, также были заложены горизонтально под асфальтовое покрытие. Хладагент внутри полых трубок в форме шпильки испаряется зимой в нижней части трубы, поднимается вверх в виде газа, конденсируется внутри верхней, более холодной трубы и снова опускается вниз. В процессе этого процесса отводится тепло грунта из-под проезжей части, благодаря чему вечная мерзлота охлаждается в течение всей зимы. Эффект заметен в холодную погоду, когда на чуть более теплом асфальте над термосифонами образуются незамерзающие полосы.

Геринг и его коллеги-инженеры из UAF Джон Зарлинг и Билли Коннор предложили элементы дизайна, которые были включены дизайнерами DOT. Однако эта комбинация была настолько непроверенной, что проект получил финансирование в рамках программы Министерства транспорта США по экспериментальным методам строительства.

Спустя годы такой подход уже не кажется таким рискованным. Томпсон Драйв на удивление гладкий, по крайней мере, по стандартам Фэрбенкса, и показания температуры вечной мерзлоты под ней показывают, что земля на самом деле немного остыла с тех пор, как строительство было завершено в 2004 году.

«На мой взгляд, Томпсон Драйв — это документально подтвержденный успех», — сказал Джефф Карри, инженер по материалам DOT в Северном регионе. «Я утверждаю, что все методы были успешными».

UAF, фото JR Ancheta
Thompson Drive построен на вершине большой груды камней размером с мяч для софтбола, позволяя холодному зимнему воздуху течь под дорогой и охлаждать землю под ней.

Некоторые из них, особенно использование каменистых насыпей, были продублированы при модернизации дорог на шоссе Эллиотт и шоссе Тейлор.В прошлом году на участке шоссе Аляска возле озера Дот-Лейк DOT успешно применил эту технику с полированным речным камнем вместо зазубренных камней в карьере.

Геринг отметил, что инновационные подходы к дорожному строительству сейчас необходимы как никогда. Под Томпсон Драйв средняя температура вечной мерзлоты составляет минус 0,2 градуса по Цельсию, чуть ниже точки замерзания. Такая «теплая» вечная мерзлота во внутренних районах особенно уязвима, поскольку изменение климата приводит к повышению температуры.

Карри сказал, что расходы не позволят повсеместно использовать некоторые методы сохранения вечной мерзлоты.Но когда-то экспериментальные конструкции, использованные на Томпсон Драйв, теперь почти обычные.

«Несколько используемых там методов стали в значительной степени инструментами в нашем наборе инструментов, когда условия подходящие и материалы доступны», — сказал Керри.

Фундаменты вечной мерзлоты — Центр исследования жилищного фонда с холодным климатом

Фундамент вечной мерзлоты

Совет №1 при строительстве на вечной мерзлоте: не делайте этого! Это потому, что дома спроектированы с учетом того, что фундамент постоянный и устойчивый, а вечная мерзлота — ни то, ни другое.Когда вечная мерзлота тает и оседает, это вызывает движение фундамента, что может создать небольшие проблемы, такие как трещины в гипсокартоне, или серьезные структурные проблемы, такие как проседание зданий, и то и другое можно увидеть в таких местах, как Внутренняя Аляска, где вечная мерзлота широко распространена.

В случаях, когда вы не можете избежать вечной мерзлоты, вы можете предпринять определенные шаги, чтобы дать себе наибольшие шансы на успех. Во-первых, абсолютно необходимо проверить почву в вашем регионе. Это начинается с поиска локализованных знаков, например:

• Есть ли поблизости отапливаемые сооружения?
• В хорошем ли состоянии эти фундаменты?
• Местность наклонная, открытая и обращена на юг?
• Рельеф ровный? Есть ли поблизости болота или стоячая вода?
• Вы видите признаки термокарста или ледяных клиньев?
• Является ли владение бореальным лесом с ранней сменой спада?
• Присутствует ли пьяный лес?

Если вы решите строить на участке, важно проверить подземные условия, чтобы определить наличие, протяженность и характеристики вечной мерзлоты, грунтового льда, почвы и горных пород.Бурение скважин — наиболее распространенный и экономичный метод оценки вечной мерзлоты.

CCHRC спроектировал множество домов в районах с очень нестабильной вечной мерзлотой, что вынудило нас разработать инновационные решения для строительства на земле, которая может сместиться и оттаять. Это включает в себя все, от традиционных фундаментов вечной мерзлоты до экспериментальных конструкций.

Обычные основы

Забивные сваи. Распространенный метод строительства на вечной мерзлоте — это забить сваи глубоко в мерзлую землю и поднять дом на несколько футов над землей.Например, в деревне Атмаутлуак земля имеет очень активный слой почвы, который зимой промерзает, а летом тает.

CCHRC помог спроектировать и построить в 2013 году 2 дома со стальными сваями, вбитыми в землю на 35 футов с регулируемым кронштейном, приваренным к верху, чтобы дом можно было перемещать при смещении грунта.

Регулируемая стойка на подушке. Одним из наиболее экономичных вариантов строительства на неустойчивой почве является регулируемая система стойки на подушке поверх толстой гравийной подушки.Хотя это позволяет дому реагировать на изменения в грунте, в нем не так много возможностей регулировки, как в сваях.

Инновационные основы

Триодетические фундаменты состоят из очень жесткой стальной или алюминиевой рамы, которая устанавливается поверх почвы и поддерживает уровень здания в случае смещения или оседания. Благодаря своей многоточечной структуре он может регулироваться во многих направлениях, чтобы противостоять движению земли.

Регулируемое опорное основание

Этот приподнятый фундамент представляет собой диафрагму из жесткого деревянного каркаса, предназначенную для термической изоляции здания от почвы, предотвращения неизбежных движений и выравнивания с течением времени.Эти фундаменты укладываются на хорошо утрамбованные гравийные подушки. Они расположены близко к земле, что сводит к минимуму влияние холодных ветров. Балки перекрытия опираются на регулируемые опорные кронштейны поверх ряда обработанных деревянных подушек.

Демонстрации

Экспериментальные фонды

Изолированный плотный фундамент — этот инновационный фундамент был разработан для вечномерзлых грунтов как более энергоэффективная альтернатива традиционному приподнятому фундаменту. Он построен на гравийной подушке и состоит из стальных балок пола, поднятых над землей с пенополистиролом, и пенополиуретана, распыляемого через балки на геотекстильный мат.

Идея состоит в том, чтобы термически изолировать здание от земли, чтобы тепло изнутри дома не разрушало почвы. Долгосрочная эффективность этих фондов все еще изучается в рамках таких проектов, как Sustainable Village при Университете Аляски в Фэрбенксе.

Демонстрации

Как деградация вечной мерзлоты влияет на инфраструктуру?

Выпуск

Деградация вечной мерзлоты — вечно мерзлого грунта, который часто содержит подземный лед — затрудняет строительство и обслуживание инфраструктуры, включая дороги, здания, трубопроводы и аэропорты.По мере таяния грунтового льда почвы сдвигаются и обрушиваются, делая грунт нестабильным, что ставит под угрозу инфраструктуру на поверхности. Факторы, способствующие таянию вечной мерзлоты, включают тепловые нарушения (то есть увеличение тепла), вызванные как строительством самой инфраструктуры, так и потеплением климата. Для смягчения этих эффектов необходимы улучшенные инженерные методы и стандарты.

Почему это важно

Engineering Futures для инфраструктуры вечной мерзлоты

Создание и обслуживание инфраструктуры в условиях вечной мерзлоты является дорогостоящим из-за специальных требований к проектированию, которые необходимы для предотвращения или смягчения последствий таяния, вызванного наличием инфраструктуры.Планирование инфраструктуры вечной мерзлоты требует знания о наличии грунтового льда: его количество и где он находится. Взаимодействия между температурой, водой и льдом являются наиболее важными факторами окружающей среды для прогнозирования того, как инфраструктура будет работать в нынешних и будущих условиях. В климате, который, по прогнозам, станет теплее и влажнее, изменения этих критических факторов необходимо учитывать при планировании и проектировании устойчивой инфраструктуры. Данные об инфраструктуре, климате, температуре вечной мерзлоты, распределении грунтового льда и методах адаптации в настоящее время собираются широким кругом правительственных агентств и других групп.Координация между этими группами необходима для повторяемой оценки текущего воздействия деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру. Это поможет развить лучший потенциал планирования и сможет предсказать лучшие подходы к предоставлению основных общественных услуг, а также более широкие потребности заинтересованных сторон.

Загрузить изображение «Инженерное будущее инфраструктуры вечной мерзлоты»

Уровень знаний

Строительство жизнеспособной инфраструктуры на богатой льдом вечной мерзлоте может быть выполнено одним из двух способов: 1) защита вечной мерзлоты от таяния и / или 2) проектирование с учетом 9 гибкости инфраструктуры при дестабилизации вечной мерзлоты.Основным руководящим принципом было предотвращение таяния и оседания вечной мерзлоты путем сохранения почвы в замороженном состоянии. Инженеры и ученые разработали ряд приспособлений для решения задач построения инфраструктуры на вечной мерзлоте, включая изоляцию, выемку ледяной почвы, охлаждение с помощью термосифонов (пассивных теплообменников), а также проектирование конструкций (например, свай), которые могут корректироваться по мере того, как высота поверхности земли изменяется со временем из-за проседания или подъема. Самая большая проблема при планировании инфраструктуры для вечной мерзлоты — это создание критериев проектирования (изображенных на схеме инженерного будущего), включая определение того, где в настоящее время находится грунтовый лед, и как температура и вода будут взаимодействовать со льдом и инфраструктурой с течением времени в изменяющейся окружающей среде.

В настоящее время большинство инженерных проектов создается с использованием исторических климатических данных за 30 лет для оценки будущих воздействий на инфраструктуру со сроком службы такой же продолжительности. Этот подход недостаточен, поскольку изменение климата изменяет общее количество энергии на поверхности и движение тепла у земли быстрее, чем это представлено историческими данными. Например, кумулятивные эффекты как изменения окружающей среды, так и инфраструктуры нефтяных месторождений на севере Аляски привели к значительному затоплению поверхностных вод и резкой деградации вечной мерзлоты в период с 1949 по 2011 год1.Эти эффекты усилились за последние 20 лет, вероятно, из-за усиления атмосферного потепления. Последствия прогнозируемого повышения температуры и влажности окружающей среды для общественной инфраструктуры недавно были проанализированы для Аляски. Прогнозируется, что таяние вечной мерзлоты принесет кумулятивный ущерб в размере 1,6-2,1 миллиарда долларов в период с 2015 по 1992 год, что является одним из двух самых дорогостоящих факторов, при этом северо-запад Аляски, как ожидается, будет регионом наибольшего риска.

По мере таяния вечной мерзлоты проседание и эрозия грунта ускоряются за счет движения воды по поверхности, а также за счет потери грунтового льда (фотография обнаженного грунтового льда под стоянкой Университета Аляски).Эти процессы усложняют проектирование инфраструктуры, особенно потому, что последствия таяния вечной мерзлоты все еще выявляются. Например, медленно движущиеся оползни (замороженные доли обломков) приближаются к шоссе Далтон на Аляске. Изменение маршрута дороги — самый дешевый и жизнеспособный вариант, но он все равно добавит 2 миллиона долларов к проекту выравнивания дороги. Сложные взаимодействия между вечной мерзлотой и другими нарушениями, такими как наводнения, характерны для транспортной инфраструктуры, которая пересекает большие площади вечной мерзлоты.Крупные насыпи, на которых строятся автомобильные и железные дороги, существенно изменяют вечную мерзлоту под насыпью и на окраинах. Хотя термосифоны могут удерживать землю в замороженном состоянии, они более дороги, чем стандартные методы строительства, и могут быть недостаточными при высоких температурах воздуха и грунта. Изменения в растительности в результате инфраструктуры вызывают дополнительные проблемы, особенно вдоль автомагистралей. Последовательность деревьев и высоких кустарников быстрее продвигается по нарушенным дорожным коридорам, усиливая деградацию вечной мерзлоты из-за изменения влажности почвы, снега и теплоизоляции почвы зимой.Всестороннее понимание взаимосвязей между свойствами почвы, гидрологией, растительностью и инфраструктурой улучшит дискуссии между проектировщиками и инженерами, ищущими обновленные конструкции.

Куда направляется наука

Оценка риска для инфраструктуры, связанного с деградацией грунтового льда и движением воды, требует характеристики ландшафта. Это включает улучшение геотехнических исследований, таких как бурение и другие методы отбора проб, используемые для определения местоположения богатой льдом почвы и определения других условий на площадке.Будущие климатические сценарии необходимо учитывать в стоимости жизненного цикла инфраструктуры, построенной на вечной мерзлоте, чтобы уравновесить адаптивность и устойчивость с первоначальными затратами. Ученые должны играть более эффективную роль в производстве, координации и переводе этих данных об окружающей среде для инженеров и сообществ. Этот диалог поможет создать критерии проектирования, которые предложат лучшие альтернативы для выбора конструкции и вариантов обслуживания. Стандартизация передовых методов планирования, проектирования и строительства инфраструктуры для условий вечной мерзлоты сейчас и в будущем поможет сбалансировать устойчивый рост и развитие для местного сообщества и более широких потребностей заинтересованных сторон.

ОСНОВНЫЕ ССЫЛКИ

1. Мелвин, А.М., Ларсен, П., Бёлерт, Б., Нойман, Дж. Э., Чиновски, П., Эспине, X., Мартинич, Дж., Бауман, М.С., Реннельс, Л., Ботнер, А., Никольский, DJ, Марченко, С.С., 2017. Изменение климата наносит ущерб общественной инфраструктуре Аляски и экономике упреждающей адаптации. Труды Национальной академии наук 114, E122 – E131.

2. Трохим, Э. Д., Шнабель, В. Э., Каневский, М., Мунк, Дж., И Шур, Ю., 2016.Геофизические и криостратиграфические исследования при проектировании дорог на севере Аляски. Наука и технологии холодных регионов, 131. https://doi.org/ http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.08.004

(PDF) Строительство железной дороги Цинхай-Сицзан в районах вечной мерзлоты

Ченг, Г. Д., и Ли, X. 共 2003 兲. «Строительство железной дороги Цинхай-Тибет: новый проект chal-

дает китайским ученым, занимающимся вечной мерзлотой». Пр., 8-й Междунар. Конф. на вечной мерзлоте, Токио,

Балкема, Роттердам, Нидерланды, 131–134.

Дин, Ю. Дж. 共 1998 兲. «Недавняя деградация вечной мерзлоты в Китае и реакция на потепление климата

». Пр., 7-й Междунар. Конф. по вечной мерзлоте. Лаваля, Йеллоунайф, Канада,

225–230.

Геринг, Д. Дж. 共 1998 兲. «Экспериментальное исследование насыпей воздушной конвекции для проекта

мерзлостойких проезжей части». Пр., 7-й Междунар. Конф. по вечной мерзлоте, Г.А.

Левкович и М. Аллард, ред., Коллекция Нордикана, Йеллоунайф, Китай, 319–326.

Геринг, Д. Дж., И Кумар, П. 共 1996 兲. «Зимняя конвекция в открытом грунте —

м.» Холодные регионы. Technol., 24 № 1 №, 57–74.

Лай, Ю. М., Чжан, Л. X., и Чжан, С. Дж. 共 2003 兲. «Охлаждающий эффект насыпей из рваного камня

на Цинхай-Тибетской железной дороге в условиях климатического потепления». Подбородок. Sci. Бюл.,

48 共 6 兲, 598–604.

Ли, С. Д. 共 1992 兲. «Температура и мощность вечной мерзлоты на трассе Цинхай-Сицзан

.Proc., Symp. по гляциологии и геокриологии. Science Press, Пекин, 7–10

共 на китайском 兲.

Ма, В., Ченг, Г. Д., и Ву, К. Б. 共 2003 兲. «Предварительная проработка технологии охлаждения фундамента

в районах вечной мерзлоты». J. Glaciol. Геокриол., 24 共 5, 579–587.

Исследовательская группа шоссе Цинхай-Сицзан.共 1983 兲. «Закономерности распространения

многолетнемерзлых пород с высокой льдистостью вдоль шоссе Цинхай – Сизан». Proc., 2nd National

Conf. о вечной мерзлоте, Gansu Cultural Press, Ланьчжоу, Китай, 43–51.

Тонг, К. Дж. И Ву, К. Б. 共 1996 兲. «Влияние потепления климата на автомагистраль Цинхай-Тибет

». Холодные регионы. Технол., 24 № 1 №, 101–106.

Ван, С. Л., Чжао, Х. Ф., Го, Д. Х., и Хуанг, Ю. З. 共 1996 兲. «Реакция вечной мерзлоты на изменение климата

на плато Цинхай-Сизан». J. Glaciol. Geocryol., 18 共 Special

Issue 兲, 157–165 共 на китайском 兲.

Ву, К. Б., Лю, Ю. З., и Тонг, К. Дж. 共 2003 兲. «Взаимодействие мерзлого грунта и техники в холодных регионах.

No related posts.