УДК 551.34
Устройство намывных грунтов в качестве основания сооружений в условиях криолитозоны
Кормина Александра Алексеевна – студент Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета
Аннотация: Развитие производительных сил северных районов вызывает необходимость соответствующего объёма строительства жилищного фонда и других объектов инфраструктуры. При этом для строительства в первую очередь выбирают благоприятные участки, площадь которых существенно сокращается. В данной обзорной исследовательской работе рассматривается опыт строительства на намывных грунтах в пойме реки Лена в г. Якутске в условиях криолитозоны. Целью данного исследования было провести анализ опыта проектирования на намывных территориях в условиях криолитозоны и выделить основные проблемы и правила строительства, а также разработать подходы к проектированию фундаментов и подземных частей зданий. На основе проведённого анализа были сделаны выводы о выборе принципа строительства при проектировании фундаментов на насыпном основании.
Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, намывные грунты, криолитозона, вечная мерзлота, I принцип строительства, II принцип строительства, 202, 203 микрорайон.
Площадь распространения криолитозоны в России занимает 60-65% от всей территории страны, что составляет около 11 млн км2 [1]. Максимальная мощность вечной мерзлоты может достигать до 1500 м.
Рисунок 1. Распространение многолетнемерзлых грунтов по территории России [1].
Одной из основных сложностей при гражданском строительстве в условиях криолитозоны является нестабильность грунта. Мерзлота обладает высокой прочностью и устойчивостью, но при размораживании становится пластичной и может вызвать деформации и опасности для зданий и инженерных сооружений.
Еще одной сложностью является проблема оттаивания мерзлого грунта под действием тепла, выделяющегося от зданий и коммуникаций. Это может привести к нежелательным деформациям, пучению грунта и снижению его несущей способности. Поэтому необходимы специальные инженерные решения для управления тепловыми процессами и предотвращения замерзания или оттаивания грунта [2].
В России, в условиях криолитозоны, намывной метод создания оснований сооружений распространён в Западной Сибири и в Якутии. Так, по данным ЗАО «Уренгойгидромеханизация», за период с 1978 по 2006 гг. в тело различных сооружений в Западной Сибири уложено свыше 116,9 млн м3 песчано-гравийного материал, а в г. Якутске при инженерной подготовке оснований и сооружений объем намывного грунта составил около 800 тыс. м3 [3].
Главным подходом строительства сооружений на намывных грунтах, ввиду отсутствия опыта использования намывных территорий со сложными мерзлотно-гидрогеологическими условиями, являлся проектирование фундамента по I принципу строительства, а именно сохранение мерзлого состояния грунта в течении всего периода эксплуатации здания или сооружения [4].
Для реализации этого утверждения, проводился опыт на примере строительства 202-микрорайона г. Якутск. Проверялось предположение, что после намыва грунта мерзлота пойдет выше и распространится на всю территорию намывных грунтов, но это оказалось не так.
Согласно исследованию [5], жилые дома построенных на территории 202-микрорайона эксплуатировались с нарушением установленных норм. Случались аварийные утечки воды из тепловыделяющих инженерных сетей, местами такие утечек приводили не только к полному таянию новообразованных мерзлых толщ, но и повышали до положительных значений температур намытых и подстилающих грунтов.
В период с 2009-2015 гг. проводились регулярные замеры температуры грунта в 202- микрорайоне, по разрезам 4-х буровых скважин. Выполнение замеры позволяют судить о тепловом состоянии намывных грунтов на разных уровнях разрезов.
Распределение максимальной (tмакс), минимальной (tмин) и средней (tср) температуры грунта с глубиной в период с 2009 по 2015 гг.
Глубина, м |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
7 |
10 |
Скв.4 |
|||||||
tмакс, °C |
14,2 |
8,2 |
4,0 |
1,1 |
0,2 |
0,4 |
1,0 |
tмин, °C |
-33,0 |
-23,6 |
-13,5 |
-5,1 |
-1,8 |
-0,2 |
0,1 |
tср, °C |
-4,5 |
-3,1 |
-2,0 |
-0,8 |
-0,6 |
-0,1 |
0,3 |
Скв.5 |
|||||||
tмакс, °C |
17,4 |
12,9 |
10,3 |
8,2 |
6,5 |
4,6 |
8,7 |
tмин, °C |
-25,9 |
-15,9 |
-8,0 |
-2,8 |
-0,1 |
0,5 |
0,1 |
tср, °C |
-1,5 |
0,0 |
1,1 |
1,8 |
2,5 |
2,5 |
2,4 |
Скв.6 |
|||||||
tмакс, °C |
16,3 |
8,2 |
4,6 |
9,8 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
tмин, °C |
-24,7 |
-15,9 |
-9,5 |
-4,2 |
-2,0 |
-0,4 |
-0,2 |
tср, °C |
-3,8 |
-2,4 |
-1,2 |
-0,4 |
-0,3 |
-0,1 |
-0,1 |
Скв.47 |
|||||||
tмакс, °C |
11,0 |
5,7 |
2,7 |
0,2 |
0,5 |
1,0 |
1,4 |
tмин, °C |
-18,9 |
-11,2 |
-5,8 |
-1,4 |
-0,1 |
0,1 |
0,6 |
tср, °C |
-2,4 |
-1,6 |
-0,7 |
-0,3 |
0,0 |
0,3 |
0,8 |
Также были сделаны выводы, что в теле и основании грунтового массива существуют надмерзлотные талики. Мощность их изменяется от 10-15 м, лишь в отдельных местах на глубине 5 м зафиксировано образование линз многолетнемерзлых пород со средней годовой температурой от –0,3 до –0,6°С. При изучении температурного поля грунтов в 203 -микрарайон, застроенном в 2015-2019 г., установлено, что намытый массив после почти 30-летнего существования находится практически полностью в талом состоянии [6].
а б
Рисунок 2. Геокриологическое строение и изменение температуры грунтов на участке погребенных увалов (a) и озера (б): 1–3 – литологический состав пород: 1 – техногенный грунт, песок средний, 2–3 – аллювиальные отложения: 1 – песок мелкий; 3 – песок средний; 4 – кровля многолетнемерзлых пород; 5 – граница слоя сезонного промерзания; 6 – водоносный гори- зонт; 7 – интервал сезонных колебаний уровня надмерзлотных вод.
Среди основных причин сохранения таликов можно выделить две главные:
- Низкая теплопроводность практически сухих песков в верхней части разреза, препятствующая промерзанию грунтов сверху;
- Существование в основании намывной толщи единого водоносного горизонта, связанного с поверхностными водами р. Лена. Непрерывная фильтрация воды в подошве намывного массива препятствует многолетнему промерзанию грунтов снизу [6].
Благодаря первому опыту строительства на намывных территориях в условиях криолитозоны на Первой Всероссийской научно- практической конференции «203-й микрорайон г. Якутска: научно-технический подход к проектированию и застройке, проблемы и перспективы развития» А.Н. Цеева пришла к выводу, что при строительстве зданий с развитой подземной частью нельзя допускать оттаивания грунтов, подстилающего намывного массива. Также было предложено использовать плитные фундаменты коробчатого сечения, а в пространстве между плитами создавать среду с отрицательной среднегодовой температурой, что приведет к смыканию границы оттаивании-промерзания [7].
На основе проведенного анализа определены направления исследования намывных грунтов в условиях строительства криолитозоны:
- Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о том, что на намывных грунтах в криолитозоне нужно применять не I принцип строительства, а II принцип, как было осуществлено при строительстве 203-микрарайона г. Якутска, так как создание проветриваемых подполий при строительстве на намывных территориях не предотвращает оттаивание и не способствует полному промерзанию грунта.
- Построенный 202-микрарайон не удовлетворяет требованиям СП 25.13330.2020, так как для I принципа строительства следует соблюдать мерзлое состояние основания на протяжении всего срока эксплуатации, а в настоящий момент основание зданий находится в талом состоянии.
- В настоящий момент при строительстве на намывных территориях можно применять усиленных плитный фундамент коробчатого сечения с сохранением отрицательной среднегодовой температуры между плитами.
- Строительство плитного фундамента на намывных грунтах дает возможность использовать пространство первого этажа зданий, а также проектировать подземную часть зданий, в условиях вечной мерзлоты.
Список литературы
- СП 115.13330.2016. Геофизика опасных природных воздействий. Актуализированная редакция СНиП 22-01-95. – Москва, 2016. – 36 с.
- Брикетова А.А. Геокриологические процессы, влияющие на деградацию оснований в условиях вечной мерзлоты / А.А. Брикетова, Е.Г. Третьякова // Вестник евразийской науки. – 2022. – Т. 14. – № 3. – URL: https://esj.today/PDF/50SAVNpdf.
- Инженерное освоение низких пойм рек криолитозоны под гражданское строительство: опыт, проблемы, перспективы / Р. В. Чжан, Н. А. Павлова, В. В. Огонеров, А. Л. Лобанов, М. В. Данзанова. – Текст: электронный // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. – 2020. – Том 25. – № 2. – С. 87-97. – URL: https://doi.org/10.31242/2618-9712-2020-25-2-7.
- Роман Л.Т., Цернант А.А., Полещук В.Л., Цеева А.Н., Леванов Н.И. Строительство на намывных грунтах в криолитозоне. М.: ИД «Экономика, Строительство, Транспорт», 2008. 323 с.
- Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России: материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции. 18-20 апреля 2018 г. В 2 т. – Якутск: Издательство Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 2018. Т.2, 282 с.
- Чжан Р.В., Павлова Н.А, Огонеров В.В., Лобанов А.Л., Данзанова М.В. Инженерное освоение низких пойм рек криолитозоны под гражданское строительство: опыт, проблемы, перспективы // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2020. Т. 25, № 2. С. 87-97. https://doi.org/10.31242/2618-9712- 2020-25-2-7].
- Цеева А.Н. Строительство зданий на намывных грунтах в 203-м микрорайоне г. Якутска / А.Н. Цеева // Наука и техника в Якутии. – 2005. – № 1. – С. 64-66.