Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Такие грунты распространены на значительных территориях СССР, Канады, Аляски, Антарктиды и занимают около четвертой части всей суши планеты. В СССР они занимают около половины территории страны, преимущественно в северных и северо-восточных ее районах, где залегают сплошным массивом на глубину до 500 м, а местами и более. Южнее этих  районов  мощность толщи  вечномерзлых грунтов уменьшается, в отдельных местах появляются острова талых грунтов (талики). Встречаются мерзлые грунты с талыми прослойками, а также в виде отдельных островков или линз, окруженных талым грунтом.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяют на твердомерзлые, пластично-мерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлыми называют песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом. Такие грунты характеризуются относительно хрупким разрушением и практически несжимаемы под воздействием нагрузок от сооружений. Твердомерзлое состояние наступает при температуре ниже — 0,3 ° С для мелких и пылеватых песков, —0,6° С для супесей, — 1 ° С для суглинков и —1,5 ° С для глин. При более высокой температуре (но ниже 0  °С), когда в порах грунтов сохраняется еще много незамерзшей воды, мерзлые грунты обладают вязкопластичными свойствами и заметно деформируются под воздействием нагрузок от сооружений. Такие грунты называют пластично-мерзлыми. Если грунты с отрицательной температурой из-за малой влажности не сцементированы льдом, как, например, почти сухие пески и крупнообломочные грунты, их называют сыпучемерзлыми.

Обычно в мерзлых глинистых грунтах всегда содержится от 5 до 40% по массе незамерзшей воды — в зависимости от температуры грунта.

В процессе замерзания грунтов их влажность изменяется вследствие подсоса воды замерзающими слоями. Это явление, называемое миграцией влаги, приводит к переувлажнению верхних слоев и, как следствие, к пучению многих грунтов. Последнее объясняется особенностью взаимодействия с мелкими частицами грунта воды, которая при замерзании увеличивается в объеме до 9%.

Пучению подвержены глинистые, мелкие и пылеватые песчаные, а также крупнообломочные грунты, содержащие 10% и более по массе частиц размером менее 0,1 мм или свыше 3% частиц размером менее 0,02 мм. Увеличение объема таких водонасыщенных грунтов при их замерзании может достигать десятков процентов. Вследствие этого происходит выпучивание (поднятие) поверхности грунтов. Если свободному выпучиванию препятствуют фундаменты прорезающие сезоннопромерзающий слой и заделанные в нижележащую толщу грунтов, то на контакте промерзающего слоя с боковой поверхностью фундаментов возникают касательные силы морозного пучения, стремящиеся выдернуть (приподнять) фундаменты. По данным
отечественных и зарубежных исследований значения касательных сил морозного пучения в зависимости от свойств грунтов, степени их влажности и глубины промерзания изменяются от 60 до 200 кПа, а в отдельных случаях до 300 кПа. Меньшие значения касательных сил выпучивания соответствуют условиям постройки фундаментов зданий и сооружений на маловлажных грунтах, более высокие — в местах большого увлажнения грунтов.

Основные свойства мерзлых грунтов зависят главным образом от характера ледяных связей между минеральными частицами. Количество и температура замерзшей воды оказывают решающее влияние на прочность, деформируемость, теплоемкость и другие физико-механические характеристики мерзлых грунтов. Например, при повышении температуры от —4 до —0,3 ° С расчетные сопротивления мерзлых грунтов разных видов уменьшаются в 2—5 раз. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты вследствие их малой влажности почти не меняют показателей механических свойств при повышении отрицательной температуры вплоть до перехода к положительной.

Температура вечномерзлых грунтов в основаниях может повышаться вследствие изменения климатических условий, сезонных колебаний температуры воздуха, теплового влияния фундаментов, нарушения природных условий в период производства работ. Повышение температуры вечномерзлых грунтов, связанное с естественными изменениями климата и геологическими процессами, происходит весьма медленно и поэтому при проектировании и строительстве фундаментов не учитывается. Сезонные колебания температуры воздуха оказывают существенное влияние на ежегодные изменения температуры вечномерзлых грунтов примерно до глубины 10 м. На этой глубине и ниже температура мерзлых грунтов почти не изменяется в течение всего года, поэтому ее принимают за среднегодовую и определяют расчетом по данным инженерных изысканий (с учетом теплового влияния фундаментов построенного сооружения на температуру вечномерзлых грунтов). Наиболее значительное повышение температуры вечномерзлых грунтов и связанное с ним увеличение глубины их оттаивания происходит в местах повреждения или полного удаления растительного покрова, особенно в местах, где в естественных условиях мерзлые грунты залегали неглубоко от поверхности, например на маревых участках.

Если в результате значительного повышения температуры происходит увеличение глубины сезонного оттаивания сильнольдистых вечномерзлых грунтов или включений подземного льда по сравнению со средней многолетней, то образуются провальные впадины рельефа различной формы, большей частью заполненные водой, называемые термокарстом.

В районах залегания вечномерзлых грунтов нередко встречаются подземные воды, которые подразделяют на следующие виды: надмерзлотные, находящиеся в толще немерзлого грунта, расположенного над поверхностью вечномерзлых грунтов; межмерзлотные, движущиеся по талым слоям в толще вечномерзлых грунтов; подмерзлотные, находящиеся ниже толщи таких грунтов. В местах уменьшения живого сечения потока надмерзлотных или поверхностных вод при сезонном их промерзании в ряде случаев образуются наледи.

Все перечисленные выше характерные особенности вечномерзлых грунтов требуется учитывать при проектировании и строительстве сооружений разного назначения, включая мосты.

Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах

Содержание:

1. Свойства вечномерзлых почв
2. Доступные способы погружения
3. Технологические этапы
4. Особенности погружения
5. Бурение
6. Оттаивание

Выбор технологии погружения винтовых свай в мерзлый грунт определяется в процессе проектирования строительства на основе анализа свойств, состояния и глубины промерзания почвы, полученных в результате геологического исследования строительной площадки. При этом учитываются особенности будущей конструкции (величина предполагаемой нагрузки), диапазон среднегодовых температур, колебательная систематика и другие параметры.

Свойства вечномерзлых почв

Вечномерзлой считается порода, находящаяся в твердом состоянии более трех лет, которая характеризуется неустойчивой структурой и значительными просадками при оттаивании. Различают две ее части по вертикали:

• деятельный слой — верхний пласт, способный частично оттаивать в летный период с последующим замерзанием осенью, что вызывает сезонное пучение, негативно влияющее на фундамент постройки;
• вечномерзлый слой — непрерывно мерзлая толща может быть однородной или слоистой на основе смерзшихся пластов и/или льдистых включений, размывающихся подпочвенными водами.

В зависимости от климатических условий деятельные слои могут залегать до 4,0 м. При этом наибольшая толщина наблюдается в песчанике и осколочных скальных породах с большим количеством открытых пор. По типу деятельный пласт может быть сливающимся (промерзающим на всю глубину) или несливающимся, когда между ним и вечной мерзлотой имеется незамерзающая прослойка. Мерзлые толщи классифицируются на три группы: твердомерзлые (скальные), пластичномерзлые или сыпучемерзлые (рыхлые).

Доступные способы погружения

Особенности погружения свай в мерзлые грунты определяются с учетом конкретной ситуации и текущего состояния почвы. Существует несколько вариантов монтажа винтовых опор:

1. механизированная установка применяется при промерзании до 700 мм и предполагает использование дорогостоящего оборудования или особой грузоподъемной техники;
2. монтаж в лидирующие скважины производится при промерзании более 700 мм с предварительным размораживанием специальными иглами или другими устройствами;
3. забивание свай в скважины меньшего диаметра или без предварительной подготовки замерзшего грунта.

Два первых методы целесообразно применять при устройстве несущей конструкции на участках с твердомерзлой толщей, а третий способ чаще всего задействуют для пластичных типов почвы. При этом в целях максимальной экономии средств и сил следует использовать естественное состояние вечномерзлой структуры без нарушения ее свойств. Если в процессе монтажа производилось предварительное оттаивание, необходимо в кратчайшие сроки восстановить природные свойства пластов. Такой принцип способствует быстрому смерзанию поверхностей стоек с грунтом, позволяя им формировать повышенную несущую способность.

Технологические этапы

Погружение свай в твердомерзлую толщу планирует выполнение следующих операций:

• исследование территории с последующим анализом геологических особенностей;
• определение оптимальной технологии и диаметра винтовых свай с учетом результатов исследований и предполагаемой нагрузки;
• земельные работы — размораживание (оттаивание) и/или бурение в соответствии с выбранной методикой;
• устройство амортизирующих подушек реализуется путем поочередной засыпки в каждую скважину нескольких слоев крупного песка и мелкого щебня с тщательным уплотнением помощью специального приспособления или труб меньшего диаметра;
• установка металлических столбов одним из доступных способов.

Заполнение пространства вокруг выступающих частей винтовых стоек, как правило, проводится с использованием бетонного, цементно-песчаного или цементно-глинистого раствора. Иногда применяется твердая материковая толща: скальные породы, щебень, крупнозернистый песок и пр.

Особенности погружения

На участках со среднегодовым диапазоном температур на глубине 5–10 м ниже –1,5 ⁰С при сооружении фундаментов в мерзлых грунтах чаще всего используется технология смерзания опорных стоек со структурой твердомерзлой толщи. Винтовые опоры погружают двумя методами: в предварительно устроенные скважины, либо в заблаговременно оттаявшую породу.

Бурение

Монтаж предполагает разметку территории и бурение с использованием спецтехники или особой установки. Оборудование располагается на шлаковой либо щебневой основе с возможностью оперативного смещения для предотвращения оползания пластов в процессе земельных работ. После устройства скважины ее заливают раствором в объеме, необходимом для заполнения пустот. На следующем этапе производится опускание стойки с последующим вытаскиванием обсадной трубы.

Оттаивание

Чаще всего размораживание реализуется с применением паровых игл, нижняя часть которых перфорирована. Горячая среда, подаваемая под давлением 0,6^±0,2 МПа из острия инструмента, разжижает замерзшую породу до текучей консистенции, куда постепенно погружается игла.

Скорость установки зависит от структуры участка, диаметра необходимой полости и требуемой глубины. При небольшом количестве льда процесс занимает до 3 часов, а при большом уровне насыщения влаги — до 8 часов. Опускание иглы производится с таким расчетом, чтобы обеспечить разжиженную зону, превышающую в 2–3 раза сечение опоры.

После опускания стойки в оттаявшую жижу происходит естественное смерзание поверхности трубы с вечномерзлой толщей. В результате винтовая опора быстро приобретает расчетные параметры несущей способности.

НИИОСП

Изучение специалистами НИИОСПа проблемы строительства на вечномерзлых грунтах Крайнего Севера и ее разработка начались в 30-е годы прошлого столетия в связи с необходимостью промышленного освоения природных ресурсов этого региона.

Институтом были разработаны теория и методы расчёта оснований и фундаментов по первому и второму принципу на вечномерзлых грунтах, обоснованы методы устойчивого строи­тельства на этих грунтах и принципы использования их в качестве оснований зданий и сооружений. Разработаны были также методики выполнения всех видов исследований физико-механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов.

Под руководством специалистов Института были построены первые в стране промышленные сооружения на вечномерзлых грунтах.

Многие разработки Института применены при строительстве и реконструкции застройки городов Севера и Восточной Сибири — Воркуты, Норильска, Якутска, Байкало-Амурской магистрали, а также в горнодобывающей промышленности — на комбинате «Апатит», Норильском ГДК, Канско-Ачинском и Южно-Якутском угольных комплексах.

Были исследованы основные закономерности изменения мерзлотно-грунтовой обстановки при различных техногенных воздействиях на вечномерзлые грунты и созданы методы комплексной инженерной защиты застроенных и вновь застраиваемых территорий, расчета устойчивости склонов и сооружений на них — трубопроводов, подпорных стен и др. с учетом сейсмики и изменяющихся при техногенезе геокриологических условий.

Ниже приведены некоторые из объектов, построенных при участии Института в зонах сплошного или прерывистого распространения вечномерзлых грунтов:

1. Межпромысловый нефтепровод «ЦПС «Западно-Лекейягинское месторождение» – БРП «Варандей».
2. Восточно-Сарутаюское нефтяное месторождение.
3. Инзырейское нефтяное месторождение — кусты № 3, 4.
4. Полигон накопления нефтепромысловых отходов Тобойского и Мядсейского нефтяных месторождений.
5. Газомоторная ТЭЦ в Анадыре.
6. Электростанция на Ванкорском месторождении.

Для всех этих объектов проведены исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов, выполнено определение предельно-длительной прочности и пучинистости грунтов, степени их засоленности и агрессивности к бетону и металлу.

По результатам исследований для проектирования рекомендованы величины прочностных и деформационных характеристик и степени пучинистости грунтов. Разработаны технические решения, выполнены расчёты, проектирование и технологический регламент по устройству фундаментов зданий и сооружений.

В Институте имеется полный комплекс оборудования для исследования свойств мерзлых грунтов, в том числе:

• холодильные камеры, позволяющие создавать постоянную нагрузку на образец или изменяющуюся по заданному закону скорость его деформирования — в интервале температур от +20ºС до -70ºС;
• комплекты и приборы для определения характеристик прочности и деформируемости мерзлых грунтов в соответствии с ГОСТами 12248-96 и 28622-90;
• приборы для определения коэффициента вязкости мерзлого грунта при сдвиге.

Принимаются заказы на выполнение этих видов исследований, а также на:

• Расчеты параметров противооползневых удерживающих конструкций, стабилизирующих солифлюкционные склоны на территориях с вечномерзлыми грунтами.
• Проектирование свайных фундаментов линейных сооружений на солифлюкционных склонах.
• Расчеты скоростей оттаивания массивов вечномерзлых и оттаивающих грунтов и устойчивости склонов и сооружений на территориях с такими грунтами при различных техногенных воздействиях.
• Проектирование островных (ледовых и земляных) сооружений на мелководном арктическом шельфе.
• Предоставление информации о прочностных и деформационных характеристиках крупнообломочных мерзлых и оттаивающих грунтов различных регионов, определённых в полевых условиях.
• Проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений в районах распространения вечномёрзлых грунтов.

Строительство фундамента на основании из вечномерзлого грунта

К домам, которые строят в районах вечной мерзлоты, в силу уникальных грунтовых условий предъявляются особые требования. Начальная стадия – возведение фундамента – в обязательном порядке должна сопровождаться проведением инженерно-геокриологических изысканий с целью адекватного прогнозирования поведения грунта при строительстве и последующей эксплуатации постройки. В этой статье мы рассмотрим 2 принципа, на которых базируется использование вечномерзлых грунтов в качестве основания дома. Учитывая сложность проведения расчета теплового режима грунтов и специфику проектирования фундаментов в таких условиях, мы не рекомендуем делать все своими руками – это как раз тот случай, когда лучше довериться специалистам.

Строительство фундаментов в условиях вечной мерзлоты

Уже после того, как будут проведены инженерно-геокриологические исследования, определяются с проектом дома и его фундаментом. При этом возможно два варианта развития событий: либо стремятся к тому, чтобы сохранить вечномерзлый грунт в его естественном состоянии (наиболее популярное и недорогое решение), либо проектируют здание с расчетом, что основание дома будет находиться в оттаивающем (оттаянном) состоянии. Конкретный выбор делается при сопоставлении технико-экономических расчетов и эффективности рассматриваемых решений.

1 Принцип – сохраняем мерзлое состояние грунта

В соответствии с 1 принципом вечномерзлое основание стремятся сохранить в первоначальном состоянии не только в процессе возведения постройки, но и при его дальнейшей эксплуатации. Данный принцип применяется в тех ситуациях, когда сохранение замерзшего грунта в его исходном состоянии экономически целесообразно. Проще всего строить фундамент на песчаном грунте, который не относится к категории пластичномерзлых. Для последних случаев дополнительно предусматривают мероприятия по уменьшению температуры основания до расчетных значений, а также в расчетах фундамента учитывают возможные пластические деформации основания под нагрузкой.

Следуя первому принципу преимущественно устраивают свайный или столбчатый фундамент, о глубине заложения подошвы которого мы поговорим в конце статьи. Но могут быть и другие решения, например, ленточный фундамент. Единственное условие – не дать верхнему слою грунта изменить свои свойства под воздействием тепла от эксплуатируемого сооружения. Для этого подполье делают холодным, вентилируемым через продухи в забирке или цокольной части дома.

2 Принцип – допускаем последующее оттаивание грунта

Второе решение используют реже и, как правило, при условии, что грунт на строительной площадке не является пучинистым или просадочным, при изменении температурных условий которого деформации не превышают предельно допустимых значений. В этом случае его либо оттаивают перед возведением фундамента, либо проводят все необходимые расчеты и допускают, что основание будет оттаивать во время эксплуатации постройки.

О глубине заложения фундамента

При устройстве фундаментов на вечномерзлом грунте важно правильно определить глубину его заложения. Если речь идет о возведении основы дома по принципу 1, то для разных типов конструкций ее величина назначается отдельно:

• для свайных фундаментов глубина заложения должна быть не менее чем на 2 метра больше толщины слоя грунта, который сезонно оттаивает и промерзает. Расчет ведется на то, что пласт вечномерзлой почвы обеспечит требуемое значение сопротивления на сжатие;
• для всех остальных типов фундаментов глубину их заложения устанавливают больше толщины сезонно оттаивающего грунта на 1 метр;
• если проектируется возведение на насыпном материале с установленными характеристиками, то значение глубины закладки подошвы не нормируется и определяется исходя из условий строительства

Строительство основы дома по принципу 2 подразумевает расчет глубины заложения подошвы фундамента при комплексной оценке толщины сезонно промерзающего грунта (ГПГ), уровня грунтовых вод (УГВ) – все с привязкой к зоне оттаивания, которая будет образовываться при последующей эксплуатации сооружения.

В заключение

Строительство фундамента на вечномерзлых грунтах – занятие, требующее особого подхода, впечатляющих предварительных расчетов и, желательно, работы специалистов в данной сфере. Вы можете построить столбчатый фундамент для бани по принципу 1, без особого риска соорудить легкую постройку, но любой другой капитальный проект стоит поручить профессионалам. Если же все-таки тяга к экономии взяла свое, и вы все равно хотите строить своими руками, то рекомендуем внимательно ознакомиться со СНиП 2.02.04-88 – нормативным документом, в котором подробно изложен фронт работ.

Загрузка…

Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах

Устройство свайных фундаментов в вечномёрзлых грунтах требует знания технической стороны вопроса. На Крайнем Севере суровый климат и устройство свай в вечномерзлых грунтах, а также строительство свайных фундаментов проводится в соответствии с технологическими требованиями по монтажу буронабивных и буроопускных опор. При проектировании и проведении монтажных работ, учитываются особенности и свойства земли на строительной площадке.

Характеристики пород

К вечномёрзлым относятся породы, находящиеся в мёрзлом состоянии от 3-х и свыше лет. Они характеризуются нестабильной структурой: в период оттаивания значительно оседают из-за нарушения естественной структуры. К деятельной полосе земли относится верхний слой, который оттаивает летом, а и с приходом зимы замерзает. Периоды обильного оттаивания и замерзания приводят к её пучению. Это ухудшает устойчивость, и снижает прочность домов, возведённых на таком покрытии.

На глубину деятельного слоя влияют климатические условия и геологический тип залегающей земли. В зависимости от этих факторов его мощность может колебаться в пределах от 0,3 до 4 метров. По мере продвижения к югу, глубина деятельного слоя увеличивается. Максимальную глубину поверхностного слоя имеет земля с открытыми порами, в структуре которых преобладают куски скальных пород и песок.

Деятельные покрытия делятся на:

• Сливающиеся – в период зимних холодов поверхностный грунт промерзает на всю глубину, и смерзается со своим вечномёрзлым основанием;
• Не сливающиеся – наличие незамерзающей перемычки между поверхностным слоем и материковым основанием.

Вечномёрзлая толща делится:

• Непрерывно мёрзлый грунт – состоит из однородной массы земли;
• В состав слоистой толщи входят прослойки из смёрзшихся пород, льда или слоёв, подверженных воздействию подпочвенных вод.

Земля под основание сооружения может состоять из покрытий любого вида, среди которых наибольшее распространение получили основные типы. К редко встречающимся типам мерзлотных покрытий относятся скальные породы.

В зависимости от состояния, мёрзлые почвы делятся на такие типы:

• Твёрдомёрзлая порода – относится смерзшийся песок, который в мёрзлом виде обладает характеристиками скальной подошвы.
• Пластичномёрзлые слои. В их состав входят глинистые почвы. Вследствие содержания в них замёрзшей воды, они подвержены сжатию под воздействием определённой нагрузки;
• Сыпучемёрзлые покрытия – относится песчаный и гравийный слой. Они даже в мёрзлом виде не скреплены льдом и достаточно рыхлые.  

В процессе возведения здания следует учитывать особенности и структуру земли, чтобы построенное здание было надежным и долговечным.  

Возведение фундаментов в условиях вечной мерзлоты

Для возведения дома используются специальные технологии. На стадии проектирования конструкций сооружения, необходимо предусмотреть такие моменты:

• Разработать меры по снижению износа постройки вследствие деформаций;
• Тщательно рассчитать глубину закладки фундамента;
• Выбрать тип конструкции, учитывая местные особенности грунта;
• Технологический проект по монтажу опор здания, рассчитанный на строительство в сложных природных условиях. Определить метод заглубления деталей.

Независимо от климатических условий, в которых ведётся строительство, в процессе возведения здания требуется соблюдать строительные стандарты и нормы. Особо тщательно контролируется правильность выполнение технологии работ. На вечномёрзлых грунтах строительству домов необходимо уделять еще больше внимания, подбирая соответствующие несущие конструкции постройки.

Фундамент на сваях

При возведении ленточного основания здания на вечной мерзлоте возникает много вопросов: вынуть большой объём грунта, сложность рытья траншеи и другие моменты. В отличие от остальных видов, столбчатая конструкция обладает значительными достоинствами:

• Нет необходимости в выемке грунта из котлована. Это экономит средства на дорогостоящих работах в тяжёлых естественных условиях;
• Возможность возведения при любой погоде, в любой период года;
• Технологически, обустройство свайного фундамента методом погружения столбов, является простым и доступным мероприятием;
• В условиях мерзлоты столбы обычно монтируются на значительную глубину. Такой подход исключает риск неравномерного оседания дома и опрокидывания сооружения.

Расчётная величина заглубления деталей учитывает показатели по результатам геологических и гидрологических изысканий, а также сезонные колебания величины толщины грунта, подверженного промерзанию и оттаиванию. С особым вниманием следует отнестись к пучению из-за морозов, которое имеет место на пылеватых и глинистых смесях. При выпучивании замёрзшего грунта нарушается равномерность осадки опор во время сезонного таяния поверхности мёрзлой почвы.

Важно знать

Опоры более приспособлены к сопротивлению силе морозного пучения, чем прочие типы фундаментов. Установка СВФ для дома в замёрзшей земле, гарантирует постройкам долговечность и высокие прочностные характеристики.

Фундамент на буроопускных сваях

Технология обустройства фундамента с помощью буроопускных столбов рассчитана именно на районы с вечномёрзлыми почвами. Метод заглубления свай включает в себя основные технологические этапы:

• Заглубление квадратных опор в пробуренную скважину, размеры которой превышают опускаемую сваю;
• Наполнение бетонной смесью полостей между столбом и стенами скважины.

Столбы эффективно перераспределяют массу дома на нижние горизонты глины и на боковые стенки, сжатые породой. Выпускаемые заводом буроопускные столбы прямоугольного сечения изготавливаются из металла. Низ ствола оборудуется уширением с прикреплённой опорной деталью и рёбрами жёсткости. Установленный между телом сваи и наконечником специальный технологический элемент, влияет на несущие характеристики всей конструкции.

Важно

Квадратные детали и опоры-оболочки также используются для обустройства свайного основания. Сваи-оболочки необходимо усиливать бетонным раствором, заливаемым в полости после окончания строительных работ.

Размеры элементов принимаются в соответствии с проектными расчётами. Увеличенная прочность свайной конструкции достигается при использовании составных опор. При этом они обязательно должны опираться на твёрдую поверхность.

Технология и методы погружения столбов

Установка свай в вечномёрзлом грунте делится на несколько подготовительных операций. Технология возведения основания из буроопускных конструкций выглядит так:

• Подготовительное бурение отверстий;
• Создание амортизационного слоя из песчано-гравийного материала – в отверстие закладывается крупнозернистый песок и утрамбовывается. Затем закладывается мелкий гравий с последующим уплотнением;
• Опускание металлической сваи в подготовленное отверстие с использованием специальной техники;
• Заливка пазух вокруг внешней поверхности опоры раствором цемента с песком или глиной.

Песчано-гравийная смесь утрамбовывается с помощью квадратной детали. Она опускается в отверстие с большой высоты, уплотняя гравийно-песчаную смесь.

На выбор способа погружения деталей в мёрзлую почву влияет комплекс условий, включающий состояние покрытия. В различных ситуациях используются такие способы погружения столбов:

• Механизированный монтаж элементов – при этом методе буроопускные сваи устанавливаются в отверстия с помощью подъёмных механизмов. За счёт привлечения дорогостоящей техники этот способ монтажа не дёшев;
• Установка столбов в предварительно оттаянную почву. Оттаивание осуществляется с помощью использования источника пара или электричества. Это сложный и дорогостоящий метод;
• Установка конструкций в заведомо зауженные предварительно пробуренные скважины бурозабивным методом;
• Забивка деталей без подготовительных работ.

Первые два метода нашли своё применение на твёрдомёрзлых почвах. Технология установки основания дома забивкой обычно используется в пластичной породе. При выборе метода заглубления свай необходимо учитывать особенности, плюсы и минусы каждого метода, а также изучить местные условия на строительной площадке.

Научные разработки в области применения систем термостабилизации грунта в криолитозоне

Специалисты НПО «Север» имеют многолетний опыт в области применения систем термостабилизации грунта в криолитозоне. Полученные знания позволяют постоянно усовершенствовать конструкции термостабилизаторов грунта, а также решать задачи стабилизации и сохранения температурного режима основания. Обратившись в НПО «Север», вы всегда получите самые полные консультации по вопросам применения термостабилизаторов грунта (ТСГ).

Анализируя перечень проблем, возникающих, когда построена фундаменты на вечномерзлых грунтах, а также способы устранения последствий антропогенных воздействий на мерзлые грунты, можно с уверенностью сказать, что термостабилизация грунтов с помощью ТСГ является эффективным методом поддержания или усиления их мерзлого состояния. Особенно массовое применение ТСГ нашли при разработке нефтяных и газовых месторождений на Крайнем Севере. Применяют термостабилизаторы и в гражданском строительстве, гидротехническом строительстве (создание противофильтрационных завес), реконструкции линейных сооружений (автомобильные и железные дороги, трубопроводы) и др. Вечномерзлые грунты, карта которых используется специалистами, с новыми технологиями не представляют никакой угрозы для строительства.

     Наша организация предлагает такие перспективные разработки как:

1. Применение тепловых труб для обогрева полотна дорог.pdf

Применение тепловых труб, передающих энергию из грунта к полотну дороги – весьма эффективный способ борьбы с наледью. Снижается влияние низких температур на полотно дороги, что значительно снизит разрушение асфальта или бетона.

В результате снижаются затраты на ремонт дорог и повышается безопасность движения транспорта, что очень актуально для России. Рекомендуется устраивать такие системы на опасных участках дороги (повороты, спуски и подъемы).

2. Применение ТСГ при прокладке ледовых переправ и автозимников.

Предлагаем использовать парожидкостные термостабилизаторы грунта, которые в четыре раза увеличивают скорость наращивания льда. Это позволит увеличить продолжительность функционирования ледовых переправ на 1-2 месяца дольше, чем при классической схеме. Применение термостабилизаторов грунта для автозимников актуально для участков подъезда к месторождениям. Практически все геотехнические изыскания включают в себя этот элемент.

В результате получим значительное снижение транспортных затрат.

3. Применение ТСГ при строительстве и реконструкции линейных сооружений.pdf

  Особенно актуально применение термостабилизаторов грунта при строительстве линейных сооружений, расположенных в зоне сливающейся мерзлоты. При строительстве линейных сооружений по I принципу строительства на вечномерзлых грунтах (ВМГ) известны многочисленные нарушения естественного теплового режима, поэтому стоит выполнять все инженерно-геотехнические изыскания:

3.1.)при замене растительного слоя и торфа возникает нарушение температурного баланса вскрытых грунтов;

3. 2.)в большинстве случаев земляное полотно отсыпается крупнообломочными и песчаными грунтами, которые обладают высокими значения коэффициента фильтрации; при этом талые воды и атмосферные осадки попадают в основание земляных сооружений и растепляют его;

3.3.)линейные сооружения в большинстве случаев представлены открытыми конструкциями, которые беспрепятственно обдуваются ветром, вследствие чего у основания и на прилегающих территориях в зимний период скапливаются большие объемы снега, которые при оттаивании подтопляют данную территорию.

При эксплуатации линейных сооружений фиксируются многочисленные деформации, связанные с деградацией мерзлоты. Вечномерзлые грунта понижаются в своей кровли, а также увеличивается толщина оттаявших грунтов в основании земляного полотна. Образуется чаша, в которую собираются талые воды с прилегающей территории, поэтому происходит дальнейшее оттаивание мерзлых грунтов. В большинстве случаев динамическое сопротивление оттаявших грунтов имеет низкие значения, вследствие чего они выдавливаются под нагрузкой и вызывают осадки сооружения.

Проблемы осадок на линейных объектах в районе криолитозоны имеют готовые технические решения: «лечение» основания земляного полотна с помощью установки систем термостабилизации грунта. Существуют различные виды систем термостабилизации грунта, в том числе и теплотехнический расчет грунтов, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Устройство свай в вечномерзлых грунтах: выбор типа и технология

Люди селятся не только в южных районах и средней полосе, огромная часть населения нашей страны проживает в суровых районах Крайнего Севера, где очень сложные климатические условия. Но даже в таких районах жизнь не останавливается – растут города и поселки, где больше половины жилья возводится частным образом. В этом случае очень актуальным становится возведение фундаментных оснований, способных выдержать сложные условия. Тема этой статьи – фундаменты на вечномерзлых грунтах, их устройство и технология работ.

Вечномерзлые грунты: характеристики, свойства

Вечномерзлыми считаются такие грунты, которые находятся в мерзлом состоянии 3-х и более лет, они имеют неустойчивую структуру, при оттаивании подвергаются значительной просадке в результате нарушений природного структурного состояния.

Срез вечномерзлого грунта

Вечномерзлый слой разделяется на две части по вертикали:

Деятельный слой – поверхностный слой мерзлого грунта подвергается частичному оттаиванию во время летнего сезона и снова замерзает с наступлением зимы. Интенсивные процессы оттаивания и замерзания почвы вызывают пучение, что негативно сказывается на устойчивости и прочности зданий, построенных на этом грунтовом основании.

Мощность деятельного слоя зависит от климата местности и геологического состава залегающего грунта, может составлять от 0,3 до 4,0 метров, при этом при продвижении к югу, толщина деятельного слоя значительно возрастает. Наибольшей толщины поверхностный слой достигает в почвах, сложенных их песка и осколочных скальных пород, имеющих открытые поры.

Различают два типа деятельных грунтов:

• Сливающиеся – в условиях зимних холодов почва деятельного слоя промерзает на всю толщину, и смерзается с вечной мерзлотой основания, на которое опирается.
• Несливающиеся грунты – между деятельным грунтовым слоем и вечномерзлым материковым, существует незамерзающая перемычка.

Вечномерзлая толща – этот грунтовый слой принято подразделять на два вида:

• Непрерывная мерзлая толща – состоит из сплошного однородного слоя мерзлого грунта.
• Толща слоистая – представлена прослойками из смерзшихся почв, льдистых включений или слоев, которые размываются подпочвенными водами.

Вечная мерзлота может быть сложена из грунтов любого типа, среди которых наиболее широко представлены основные группы почв. Самый наименьший процент в мерзлотных почвах составляют скальные породы.

Твердомерзлый грунт

По состоянию вечномерзлые грунты принято подразделять на следующие виды:

• Твердомерзлые – этот вид представлен смерзшимся песком, который в замерзшем состоянии приобретает все свойства и характеристики скального грунта.
• Пластичномерзлые – состоят из глинистых пород, которые в результате глубокого промерзания, содержат замерзшую воду, и могут сжиматься при воздействии определенных нагрузок.
• Грунты сыпучемерзлые – эту группу составляют песчаные и гравийные грунты, которые даже в замерзшем состоянии не скованы льдом, находятся в достаточно рыхлом состоянии.

Особенности фундаментов на вечной мерзлоте

Фундаменты на вечномерзлых грунтах требуют особого подхода, для их возведения применяется специальная технология. Уже в момент проектирования опорного основания в условиях вечной мерзлоты, следует предусмотреть ряд аспектов:

• Разработка мероприятий по уменьшению возможных деформаций постройки.
• Тщательный расчет глубины заложения фундамента.
• Выбор вида фундаментного основания с учетом местных условий.
• Технология возведения опоры здания, разработанная для строительства оснований здания в вечной мерзлоте (способ погружения опор).

Строительство дома в любых условиях – ответственный процесс, требующий тщательного выполнения строительных норм и правил, с особой тщательностью следует выполнять технологию работ. В условиях вечной мерзлоты к строительству зданий следует подходить еще более ответственно, выбирая подходящее основание для опоры постройки.

Свайные фундаменты

Оголовки свай для мерзлых грунтов

По сравнению с другими типами оснований, фундамент на вечной мерзлоте (свайный), имеет значительные преимущества:

• Исключается необходимость разработки природного грунта в котловане, что достаточно тяжело выполнить в силу природных условий местности.
• Свайные фундаменты в мерзлоте допускается возводить при любых погодных условиях, в любое время года.
• Технология устройства свайных фундаментов (способ погружения) отличается простотой, доступностью.
• Свайные основания в условиях мерзлоты обычно заглубляют на большую глубину, поэтому исключается опасность неравномерной осадки здания и опрокидывания конструкций.

Необходимо выполнять тщательные расчеты величины заглубления свайных опор, учитывая весь комплекс действующих факторов по геологическим и гидрогеологическим показателям, в том числе – глубины сезонного промерзания и оттаивания грунта.

Особое внимание следует уделять морозному пучению почв, которые возникают в пылеватых и глинистых почвах. Выпучивание замерзшей почвы чревато неравномерной осадкой при сезонном оттаивании верхних слоев мерзлой породы.

Свайные опоры в большей мере, чем другие виды фундаментных оснований, способны сопротивляться силам морозного пучения. Устройство основания из свай под здания в условиях вечной мерзлоты, соблюдая необходимую технологию, гарантирует зданию устойчивость, прочность и долговечность.

В настоящей статье рассмотрим подробно технологию возведения свайных фундаментов в районах вечной мерзлоты.

Буроопускные сваи

Каркас буроопускной сваи

Технология устройства фундаментов из буроопускных свай разработана специально для районов с вечномерзлыми грунтами.

Способ погружения опор включает выполнение основных технологических операций:

• Погружение свай квадратного сечения в заранее приготовленную скважину, превышающую по размерам погружаемую опору.
• Заполнение зазора между свайной опорой и стенками скважины бетонным раствором.

Свайные опоры, принимая нагрузку от веса здания и прочих воздействий, перераспределают ее на нижние слои почвы, а также на боковые поверхности, сжимаемые грунтом.

Промышленность выпускает прямоугольные буроопускные опоры из металла. Внизу ствола имеется уширение с закрепленным опорным элементом и ребрами жесткости. Между телом сваи и наконечником устанавливается специальная цилиндрическая вставка, которая определяет несущую способность всей опорной конструкции.

Допускается применять для устройства фундаментного основания сваи квадратного сечения и сваи-оболочки. Для повышения прочности последних опор, требуется выполнить бетонирование внутренней полости после завершения монтажных работ.

Габариты свайных опор принимаются согласно проектным расчетам. Для обеспечения повышенной прочности могут быть применены составные опоры, при условии их обязательного опирания на твердое основание.

Рекомендуем посмотреть видео, рассказывающее о процессе монтажа опор в мерзлых почвах.

Технология и способы погружения свай

Способ погружения свайных опор в мерзлые грунты при использовании технологии строительства оснований из буроопускных свай, включает следующие операции:

• Предварительное бурение скважин в вечномерзлом грунте.
• Устройство амортизационной песчано-гравийной подушки – в скважину послойно засыпается крупный песок с проведением тщательного уплотнения слоев. Второй слой подушки выполняется из мелкого гравия или щебня мелкой фракции. Устройство песчано-гравийной подушки предполагает выполнение тщательного уплотнения слоев песка и щебня.

Способ уплотнения подушки состоит в следующем: с большой высоты в скважину опускается фундаментная опора квадратного сечения, которая уплотняет слой песка или щебня.

• Погружение металлической сваи в подготовленную скважину (существует специальная технология).
• Заполнение пазух свайного фундамента грунтом или раствором – устройство основания под здание в вечномерзлых грунтах предполагает заполнение пространства вокруг наружных поверхностей свайной опоры мерзлым материковым грунтом; цементно-песчаным или цементно-глинистым раствором.

При заполнении пустого пространства раствором, важно помнить, что состав должен заполнить скважине не более 1/3 от ее глубины.

Посмотрите видео, как производится установка буроопускных опор.

Способ погружения свайных опор в мерзлые грунты выбирается в зависимости от комплекса условий, которые включают состояние мерзлых грунтов. В зависимости от ситуации, могут применяться следующие варианты погружения опор:

• Механизированная установка опор – при этом варианте буроопускные опоры монтируются в скважины при помощи специальных механизмов. Способ монтажа опор нельзя назвать экономичным, так как привлекается дорогая грузоподъемная техника.
• Устройство фундаментного основания методом погружения свай в предварительно оттаянный грунт (оттаивание проводится специальными иглами с помощью пара или электричества). Этот способ отличается сложностью и сопряжен с высокими затратами.
• Монтаж свай в скважины заведомо меньшего диаметра (бурозабивной способ).
• Забивка свайных опор в вечномерзлые грунты без проведения предварительной подготовки.

Два первых способа применяются в твердомерзлых грунтах, технология забивного погружения свай применяется обычно в мерзлых пластичных грунтах. Каждый способ имеет свои особенности, преимущества и недостатки, выбирая технологию погружения свай, следует всесторонне оценить существующие условия строительства.

Фундаменты вечной мерзлоты — Исследовательский центр домов с холодным климатом

Основания 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 существующие отапливаемые сооружения?
• В хорошем ли состоянии эти фундаменты?
• Местность наклонная, открытая и обращена на юг?
• Рельеф ровный? Есть ли поблизости болота или стоячая вода?
• Видите ли вы 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, грунта 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 заставило нас разработать инновационные решения для строительства на земле, которая может сместиться и оттаять. Это включает в себя все, от обычных фундаментов вечной мерзлоты до экспериментальных конструкций.

Обычные фундаменты

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 регулирования, как в сваях.

Инновационные фонды

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

Регулируемый фундамент для опор

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, приподнятых 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

Building on Permafrost — Alaska Business Magazine

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

Пассивные подходы не полагаются на электричество; они работают либо за счет поднятия 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 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, как мы говорим, при проектировании», — 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 ».

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследовательская работа
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О Массачусетском технологическом институте
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О Массачусетском технологическом институте

Меню ↓

Поиск

Меню

Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!

Что вы ищете?

Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

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, в первую очередь 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 считаться с опасными колебаниями 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 в течение многих 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.

В Фэрбенксе построить дом на вечной мерзлоте непросто.

ФЕРБЕНКС, Аляска (AP). Многие дома в Фэрбенксе построены на вечной мерзлоте, и существуют методы строительства на таком грунте, которые использовались десятилетиями.Но в зависимости от типа вечной мерзлоты неизвестно, что произойдет — даже с теми домами, которые были построены с использованием передовых методов, — поскольку вечная мерзлота тает из-за изменения климата. Для одного домовладельца эта проблема стоит в центре внимания, поскольку он строит дом на том, что он называет одним из худших участков в Фэрбенксе.

Илья Бенеш любит делать все сам. Он проработал в строительстве около 30 лет. Последние 10 лет он работал над двумя большими домиками — один для проживания, другой для аренды — на краю оврага, усеянного березками и черными елями.

Когда Бенеш купил эту недвижимость в 1999 году, он был почти уверен, что под ней вечная мерзлота, хотя он не знал наверняка. Но его не пугала идея строить на вечной мерзлоте; будучи плотником, он уже имел в этом некоторый опыт. И причины купить землю были убедительными: она была просторной, относительно дешевой и всего в нескольких минутах от дома его родителей.

«Когда я увидел, что мои родители стареют, я увидел большую ценность в близости, и что было доступным в 1999 году, так это собственность на северной стороне холма», — сказал Бенеш.

В Фэрбенксе часто цитируют эмпирическое правило: если недвижимость находится на северном склоне, то под ней с большей вероятностью будет вечная мерзлота. Вечная мерзлота во внутренних районах — это то, что называют «прерывистой»: в одних местах она может простираться на сотни футов ниже поверхности и полностью отсутствовать в других. Существует ряд факторов, которые определяют наличие вечной мерзлоты ниже: тип почвы, растительный покров, высота над уровнем моря и солнце, и это лишь некоторые из них.

Компания Benesch начала строительство в 2008 году.И через несколько лет он решил пробурить почву, чтобы получить представление о том, как именно выглядит вечная мерзлота под поверхностью. Новости, которые он получил, были плохими.

«Эта неглубокая, теплая, богатая льдом вечная мерзлота с массивными ледяными образованиями — одна из самых сложных сред для сооружения прочного фундамента», — сказал Бенеш, читая полученный им отчет о бурении.

По сути, дом Бенеша построен на вечной мерзлоте, которая находится относительно недалеко от точки таяния — что является обычным для Фэрбенкса — и заполнена льдом, который при таянии превратится в воду.Это может кардинально преобразить землю под его домом, хотя он все еще не уверен, как именно это будет выглядеть, особенно с учетом того, что он находится на холме.

«У этого холма, начинающего скользить, не так много сопротивления. если все потеплеет достаточно глубоко, — сказал Бенеш. «Я не могу получить четкого ответа от кого-либо, произойдет ли это или земля упадет прямо вниз. Не думаю, что кто-нибудь может сказать.

Но Бенеш, пожалуй, один из лучших людей в Фэрбенксе, занимающий эту должность.В течение последнего десятилетия он работал преподавателем строительства в Исследовательском центре жилищного строительства в условиях холодного климата. Это некоммерческая организация со штаб-квартирой в Фэрбенксе, которая исследует стратегии строительства для арктической среды и обеспечивает общественное образование.

Бенеш разговаривает с домовладельцами и подрядчиками именно об этом: как построить лучший дом на вечной мерзлоте, которая, как ожидается, тает?

Бенеш проходит под крыльцом первой хижины и указывает на фундамент — один из важных дизайнерских решений для строительства на вечной мерзлоте.Его представляют собой сваи из стальной трубы диаметром 6 дюймов.

Строительство на сваях — распространенный метод строительства на вечной мерзлоте; они закрепляют дом и закрепляют его на чердаке, чтобы он не нагревал землю под ним. Когда Бенеш начал строительство, он знал, что 40 футов — это типичная глубина для свай, поэтому он и пошел.

«Теперь я знаю, что мне, вероятно, следовало проехать 60 футов», — сказал он.

Это действительно глубоко. С тех пор он модернизировал две дополнительные 60-футовые сваи, которые смогут поддерживать дом, если другие выйдут из строя.

Помимо фундамента, Benesch много думал о том, как защитить землю и сохранить холод вечной мерзлоты. У него будет большое крыльцо по периметру, чтобы фундамент оставался в тени, и непрерывный желоб вокруг крыши, который уходил в овраг на 25 футов, чтобы предотвратить попадание эрозии или воды в сваи.

Он также делает все возможное, чтобы не беспокоить мох и деревья вокруг дома, которые обеспечивают тень и изоляцию для земли. Он даже добавляет к ним.

«Я действительно лиственницу сибирскую посадил; Сейчас их около 22, — сказал он, указывая на рассаду, разбросанную по дому.

Все эти меры являются стандартными для людей, которые строят на вечной мерзлоте и хотят убедиться, что сам дом не приведет к таянию вечной мерзлоты.

Но они также являются простейшими и наиболее доступными инструментами в арсенале инструментов, когда дело доходит до предотвращения оттепели из-за повышения температуры.

Benesch знает, что в конечном итоге это не остановит.Но он надеется, что их хватит, по крайней мере, на всю его жизнь. и даже за его пределами. Сейчас ему 49.

«Я не боюсь проблем, но незнание того, что будет делать в этой области через 10, 20, 30, 40 лет, заставляет меня беспокоиться», — сказал он.

Если бы у Бенеша была возможность вернуться в 1999 год и купить другую недвижимость, стал бы он? Да, говорит он, будет. Это сэкономит ему много времени и несколько бессонных ночей.

Но он говорит, что для любого, кто решил строить на вечной мерзлоте, у него есть несколько предложений: строить небольшие, узнавать о передовых методах и обязательно провести буровые испытания, прежде чем начинать.

СПГ: инженерные задачи для СПГ на Ямале

Почвы

Исследования стока

На площадке Ямал СПГ почва неоднородна и состоит из глины, ила и песка. У берегов Оби повышается засоленность почвы, достигая 20 ppt (частей на тысячу или ‰). Содержание льда в почве выше в первые пять метров под поверхностью, слой, который также содержит незамерзшие солевые карманы, известные как «криопэги».

Все эти факторы играют решающую роль в изучении растекания почвы, физического явления, характеризующегося замедленной и необратимой деформацией материала, подверженного постоянным нагрузкам.Хотя значения стока вечной мерзлоты можно найти в научной литературе, не все эти значения были подтверждены или даже оценены в некоторых случаях, особенно в случае засоленных почв. Таким образом, TotalEnergies и ее партнеры провели более 130 лабораторных испытаний на одноосную деформацию на 11 различных типах грунтов. Они были дополнены испытаниями на статическую нагрузку, сжатие, растяжение и сдвиг на сваях. Эти лабораторные и натурные испытания позволили определить параметры уплотнения и текучести для всех существующих типов грунта под заводом СПГ.

Определение несущей способности

и габаритов сваи

Характеристики грунта использовались в качестве основы для определения несущей способности, долгосрочного потенциала деформации и расположения свай в вечной мерзлоте в соответствии с техническими условиями завода. Выбор метода расчета имел первостепенное значение для обеспечения максимально полного учета различных параметров.

Для выполнения этой работы Ямал СПГ (Новатэк, TotalEnergies, CNPC и Silk Road Fund) и его партнеры синтезировали методы и стандарты, используемые странами, известными своим опытом геомеханического моделирования вечной мерзлоты (Россия, Канада и США).Расчеты проводились в соответствии с законом распределения напряжения и потока, который включает скорость смещения и напряжения для сваи, прилипшей к мерзлому грунту, который содержит переменное количество льда. Удельная скорость деформации свай в засоленной среде соответствует американским рекомендациям из-за отсутствия российских директив по этому вопросу и основана на параметрах, установленных по результатам лабораторных испытаний. Расчет специальной системы свайного фундамента был завершен в июне 2014 года.

Промышленные объекты «Ямал СПГ» будут стоять на лесу из 38 300 основных свай, забитых на глубину от 10 до 28 метров, диаметром от 273 до 530 миллиметров и несущей способностью до 3100 кН при -4 ° C, для самых тяжелых. конструкций и оборудования, а также 26 700 второстепенных свай, забитых на глубину от 10 до 14 метров, диаметром 159 или 273 миллиметра.

Фундаменты

адаптированы к модульной конструкции

Чтобы ограничить количество операций, выполняемых в очень холодных погодных условиях, завод построен из сборных модулей, которые доставляются непосредственно морем. Монтаж модулей на фундаменте привел к выдающимся инженерно-техническим решениям. После установки определенные группы свай соединяются между собой бетонной «шапкой». В общей сложности 10 000 сборных крышек свай (или головок свай) прикреплены к группе свай, чтобы поддерживать колонны соответствующих модулей и распределять их вес по сваям, которые служат их основанием.Некоторые заглушки могут группировать до десяти свай.

Сборные заглушки свай содержат возвратные элементы, которые позволяют вставлять балки в предварительно установленные оголовки свай. Заглушки свай соединяются с сваями путем заливки бетона с очень низкой усадкой в ​​проем резервирования. Заглушки свай спроектированы таким образом, чтобы располагаться заподлицо с готовым уровнем платформ, что позволяет перемещать самоходные модульные транспортеры (SPMT), которые используются для транспортировки модулей и установки их на их фундаменты.

Сильное воздействие потепления вечной мерзлоты на здания и инфраструктуру России

Вечная мерзлота в Северном полушарии (источник: Европейское агентство по окружающей среде, ЕАОС)

Инфраструктура и жилье в регионах вечной мерзлоты России подвержены влиянию изменения климата. Деградация вечной мерзлоты в условиях глобального потепления снижает способность мерзлого грунта выдерживать нагрузки, создаваемые конструкциями. Более того, таяние богатых льдом отложений может привести к проседанию грунта и неравномерным деформациям поверхности, что может еще больше подорвать устойчивость инженерных сооружений.

Что такое вечная мерзлота?

Проще говоря, вечная мерзлота — это грунт, который остается при температуре ниже 0 ° C в течение как минимум двух лет подряд. Вечная мерзлота считается «сплошной», когда более 90% площади покрыто вечной мерзлотой; вечная мерзлота определяется как «прерывистая» или «спорадическая», если процентное содержание ниже. Вечная мерзлота занимает почти 65% территории Российской Федерации. Вечная мерзлота — очень распространенное явление к востоку от Уральских гор; распространение в европейской части России ограничено.

Значение вечной мерзлоты для экономики России

Районы вечной мерзлоты важны для экономики России из-за добычи нескольких ресурсов. Например, в России в 2016 году более 15% добычи нефти и 80% газа было сосредоточено в арктических регионах.

Соединить эти богатые ресурсами, но отдаленные районы с промышленными и финансовыми центрами в европейской части России — серьезная логистическая задача. За последние сто лет были разработаны сложные транспортные сети, состоящие из трубопроводов, аэропортов, постоянных и сезонных дорог, местных и федеральных железных дорог, речных и океанических портов, чтобы обеспечить поток товаров, услуг и людей между этими изолированными производственными центрами и потребители в европейской части России и за рубежом.Большинство этих сетей расположены в зонах вечной мерзлоты или пересекают их.

Влияние изменения климата на вечную мерзлоту в России

Север России нагревается в 2,5 раза быстрее, чем в среднем в мире. Температура вечной мерзлоты повысилась на 2 ° C за последние 30-40 лет, а на некоторых участках — на 1 ° C за последнее десятилетие.

Эти быстро меняющиеся климатические условия обычно не учитывались в прошлой инженерной практике. В нескольких исследованиях увеличение сообщаемого ущерба инфраструктуре в северных регионах России объясняется изменениями вечной мерзлоты, вызванными климатом.Более поздние оценки связывают снижение несущей способности оснований вечной мерзлоты на 5-20% в ряде российских городов с наблюдаемыми климатическими изменениями.

С деградацией вечной мерзлоты связаны два основных риска для зданий и инфраструктуры: просадка грунта и несущая способность. Проседание грунта связано с таянием пространственно неоднородных грунтовых льдов, сопровождающимся консолидацией отложений при прогрессирующем утолщении активного слоя. Этот процесс может представлять серьезную опасность для критически важной инфраструктуры (дороги, железные дороги) и, как следствие, может отрицательно сказаться на связности и доступности северных общин по суше.Несущая способность фундаментов на вечной мерзлоте зависит от характеристик вечной мерзлоты. Потепление вечной мерзлоты может снизить способность фундаментов поддерживать здания и сооружения, что приводит к деформациям и, в конечном итоге, к разрушению конструкций.

Стоимость деградации вечной мерзлоты к середине века

Ожидается, что широкомасштабные воздействия климатических изменений вечной мерзлоты окажут заметное негативное влияние на инфраструктуру во всем российском регионе вечной мерзлоты к 2050 году.Российская экономика сильно зависит от добычи и транспортировки полезных ископаемых из северных и восточных частей страны, пострадавших от наличия вечной мерзлоты. В регионах вечной мерзлоты проживает менее 4% всего населения России, но на них приходится почти 17% общей стоимости основных фондов в России. Эти оценки подчеркивают важность вечной мерзлоты для экономики России.

Текущие и прогнозируемые изменения климатических условий, которые не ожидались во время строительства, могут представлять значительный риск для инфраструктуры, построенной на вечной мерзлоте, и могут привести к увеличению регионального и федерального экономического бремени.

Согласно этой оценке, общая стоимость основных фондов, на которые непосредственно влияет деградация вечной мерзлоты, составляет почти 250 миллиардов долларов США, что составляет примерно 7,5% ВВП России за 2016 год. К середине века 20% коммерческих и промышленных структур и 19% критически важной инфраструктуры общей стоимостью 84,4 млрд долларов США пострадают. Также пострадает 54% жилой недвижимости на вечной мерзлоте, что составляет 20,7 млрд долларов США.

Столь высокий процент уязвимых инфраструктур может негативно повлиять на экономику регионов России с вечной мерзлотой.Финансовое бремя, связанное со смягчением негативных воздействий, связанных с деградацией вечной мерзлоты, варьируется от менее 0,1% до> 3% валового регионального продукта региона.

Адаптация

В то время как инфраструктура вечной мерзлоты в Северной Америке и Скандинавии состоит в основном из относительно небольших жилых домов и легких промышленных объектов, в российской Арктике преобладают массивные, тяжелые многоквартирные дома и сооружения. Следовательно, для России может оказаться более затратным устранение негативных последствий изменений вечной мерзлоты.Одним из вариантов является повторное использование существующих фундаментов на вечной мерзлоте для поддержки более легких зданий и сооружений, спроектированных в соответствии с быстро меняющимися условиями грунта.