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: Артём Набережный