Ученые разрабатывают новые стандарты строительства на вечномерзлых грунтах

По оценкам специалистов, более половины территории России находится в зоне вечной мерзлоты. В регионах Крайнего Севера и в Сибири расположены тысячи жилых и промышленных зданий, объектов инженерной и транспортной инфраструктуры, которые построены и эксплуатируются по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов. Неудивительно поэтому, что изучение таких грунтов — одно из приоритетных направлений строительной науки. Недавно научно-технический совет АО «НИЦ «Строительство» утвердил заявку НИИОСП им. Н.М. Герсеванова на выполнение разработок в рамках реализации государственной программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации». Подробнее об этих разработках в интервью «Строительной газете» рассказал руководитель Центра геокриологических и геотехнических исследований НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, кандидат технических наук Андрей АЛЕКСЕЕВ.

«СГ»: Андрей Григорьевич, некоторые ученые предсказывают, что к концу XXI века вечная мерзлота в Северо-Восточной Сибири может оттаять. Как вы относитесь к подобным утверждениям?

Андрей Алексеев: Наблюдаемое в мире в последние десятилетия изменение климата имеет особое значение для Российской Арктики в связи с существенным распространением там многолетнемерзлых грунтов. Повышение температуры воздуха вызывает их деградацию и активизацию опасных криогенных процессов, негативно влияющих на устойчивость зданий и сооружений. С повышением температуры многолетнемерзлых пород уменьшаются их прочностные свойства, что приводит к деформированию зданий и сооружений, при проектировании которых подобные изменения не предусматривались. Проектирование и строительство на этих территориях должно производиться с учетом изменения их температуры на весь период строительства и эксплуатации. В настоящее время в связи с тенденциями развития оценочных прогнозных расчетов учет изменений температур грунтов должен включать в себя не только техногенные воздействия, но и описанное выше глобальное потепление климата. То же касается существующих и эксплуатируемых зданий и сооружений.

«СГ»: О каких научных исследованиях идет речь в заявке, представленной НИИОСП им. Н.М. Герсеванова?

А.А.: В 2020 году в рамках госпрограммы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации» выполняется комплекс научных исследований, который можно разделить на четыре блока. Во-первых, это разработка методологии определения физико-механических свойств мерзлых грунтов. Во-вторых, разработка новых и усовершенствование существующих конструкций фундаментов, устраиваемых в мерзлых грунтах, и методов их расчета. В-третьих, техническое обследование представительных зданий и сооружений городов арктической зоны. И, в-четвертых, выполнение прогнозных расчетов температуры многолетнемерзлых грунтов и опасных геокриологических процессов восьми опорных арктических зон. Дело в том, что имеющиеся нормированные методики оценки свойств многолетнемерзлых грунтов не в полной мере отражают их специфические физические особенности, существенно влияющие на их несущую способность как оснований фундаментов. К таким характеристикам относятся: влажность незамерзшей воды, температура грунта, теплофизические свойства, нормальные и касательные силы морозного пучения. Разработка методологии определения указанных свойств мерзлых грунтов и нормативных документов (ГОСТ) позволит существенно увеличить достоверность расчетов напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов при проектировании.

«СГ»: Не могли бы вы пояснить, что такое «влажность незамерзшей воды»?

А.А.: В грунте находится свободная, рыхлосвязанная и прочносвязанная вода. При замерзании грунта в первую очередь кристаллизуется свободная и рыхлосвязанная вода. Прочносвязанная вода, находящаяся в связи с минеральной частицей замерзает при низких температурах, достигающих десятков градусов. Влажность незамерзшей воды является важной величиной, влияющей на механические свойства мерзлого грунта и определяющей его несущую способность. Данный параметр в настоящее время определяется расчетным путем в соответствии с СП 25.13330-2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». На основании проведенных исследований разработан ГОСТ по методологии определения влажности незамерзшей воды.

«СГ»: Какие еще параметры будут учтены в новых нормативных документах? И как это скажется на проектировании зданий и сооружений на мерзлых грунтах?

А.А.: В числе показателей я бы упомянул удельные касательные и нормальные силы морозного пучения, температуру начала замерзания, теплоемкость и теплопроводность мерзлых и талых грунтов. Применение данных параметров позволит существенно повысить достоверность расчетов зданий и сооружений, как на действие криогенного пучения грунтов, так и при устройстве фундаментов в условиях криолитозоны. Например, целью выполнения прогнозных расчетов температуры многолетнемерзлых грунтов является оценка влияния изменения температур на здания и сооружения. На механические свойства мерзлых грунтов, кроме минералогического состава, существенное влияние оказывает температурный режим. При повышении температуры грунта, тем более при оттаивании, происходит снижение его прочностных характеристик, фундаменты теряют устойчивость. Нормативные документы, а именно СП 25.13330-2012, должны содержать требования к расчетам температурного режима мерзлых грунтов с учетом климатических изменений, особенно для сооружений с длительным сроком эксплуатации. Данные параметры использовались при проектировании сооружений на Ямал-СПГ, электростанции ГРЭС-2 в Якутске, Жатайской судоверфи, космодрома Восточный и ряда других объектов.

«СГ»: Какие конструктивные решения из тех, что ранее не применялись в зоне вечной мерзлоты, могут использоваться на строительстве объектов?

А.А.: Как известно, в талых грунтах активно используются конструкции свайных фундаментов, к ним относятся буронабивные, буроиньекционные, винтовые сваи, а также сваи, выполняемые с помощью струйной технологии. Но в криолитзоне до настоящего времени конструкции свайных фундаментов широкого применения не находили. Исследованию возможности применения данных свай при устройстве фундаментов в многолетнемерзлых грунтах посвящен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Их результаты позволят существенным образом расширить возможности проектировщиков, чему способствуют изменение СП 25.13330-2012 и разработка нового СП «Основания и фундаменты зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах: правила производства работ». Техническое обследование существующей городской застройки Арктической зоны позволит оценить состояние зданий и сооружений, выявить характерные деформации и причины их возникновения, оценить наличие и состояние системы геотехнического мониторинга. В итоге удастся разработать требования к эксплуатации зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, что будет отражено в СП «Основания и фундаменты зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах: правила эксплуатации».

«СГ»: Каким может быть экономический эффект от использования названных вами параметров?

А.А.: Экономический эффект не всегда можно посчитать, но применение современных гостированных методов оценки свойств мерзлых грунтов безусловно повысит несущую способность фундаментов и обеспечит безаварийную эксплуатацию сооружений на задаваемый период.

ЦИТАТА

Игорь КОЛЫБИН, директор НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, кандидат технических наук:

«Огромное количество природных ресурсов и полезных ископаемых сосредоточено в северных регионах нашей страны, в зоне распространения вечной мерзлоты. Но постепенно к нам приходит осознание того, что мерзлота может оказаться не вечной, и что происходящие на наших глазах циклические изменения климата и техногенные воздействия на природную среду могут стать причиной существенной деградации мерзлоты. Уже сегодня в АО «НИЦ «Строительство» мы корректируем сложившиеся нормативно-технические термины и начинаем называть «вечномерзлые» грунты «многолетнемерзлыми». Такие грунты относятся к особым — меняющим свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. Поэтому для НИИОСП им. Н.М. Герсеванова строительство на многолетнемерзлых грунтах не только дань социальной потребности, но и научный вызов, ставящий проблему в приоритет направлений наших практических исследований»

СПРАВОЧНО

Центр геокриологических и геотехнических исследований НИИОСП им. Н.М. Герсеванова выполняет научно-исследовательские работы, посвященные изучению свойств многолетнемерзлых грунтов, решению вопросов фундаментостроения в сложных климатических и грунтовых условиях Арктической зоны, оценку технического состояния зданий и сооружений городов арктической зоны, прогнозы изменения параметров многолетнемерзлых грунтов в связи с изменением климата.

Алексей ТОРБА

«Строительная газета», 19 июня 2020 г.

На снимках: руководитель Центра геокриологических и геотехнических исследований НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, кандидат технических наук Андрей Алексеев; директор НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, кандидат технических наук Игорь Колыбин