Анализ технических и объемно-планировочных решений зданий и сооружений на вечной мерзлоте (Шубина А.Ю., ООО НПО «Фундаментстройаркос»)

В процессе эксплуатации зданий и сооружений, построенных на ВМГ происходит растепление грунтов оснований. Деградация мерзлых пород заключается в уменьшении несущей способности грунтов оснований и потере их устойчивости при оттаивании. Это определяет потребность применения новых технических решений, способных компенсировать отрицательное влияние фактора освоения площадок и потепления климата. 
 
Таким решением является оперативное управление мерзлым состоянием грунтов оснований через системы термостабилизации грунтов оснований. 
 
Вечномерзлые или, точнее, многолетнемерзлые грунты, используемые в строительстве в качестве оснований зданий и сооружений, занимают более 60% территории России. Их чрезвычайное разнообразие и ранимость приводят к значительным трудностям при устройстве и эксплуатации зданий и сооружений. Многие из них оказываются в аварийном состоянии даже на стадии возведения зданий, несмотря на то, что собственно мерзлый грунт является надежным и мощным основанием (рисунок 1). 
 
 
Рисунок 1. Аварии и катастрофы
 
 
Таблица 1. Характер разрушений на некоторых обследованных аварийных объектах 
 
 
Причины заключаются в неконтролируемых потоках тепла и влаги, растеплении оснований, и, как следствие, превращении вечномерзлого грунта в водонасыщенную грунтовую массу, практически не способную нести полезную нагрузку. Строительство сооружений на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) требует больших капитальных затрат на обустройство, однако даже при значительных затратах  происходит недоучет природных и техногенных факторов, которые приводят к растеплению  ММП  и потери несущей способности фундаментов.

Ситуация обостряется прогнозируемым потеплением климата, которое уже характеризуется повышением среднегодовой температуры приземного воздуха в последние десятилетия на величину от 0,2 до 2◦С, а повышение температуры многолетнемерзлых пород достигает 1◦С. Дальнейшее прогнозируемое повышение температуры воздуха составит: к 2025 г. – 1,0…1,5 ◦С, к 2050г. – 2…4◦С, к 2100 г. - 4…8◦С.

Известны I и II принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований. Кроме того, в практике проектирования и строительства наиболее часто используются следующие конструктивные решения: устройство подполий (с принудительной вентиляцией, естественной вентиляцией и применение подвесных полов и техподполья в комплексе с системами термостабилизации грунта), а так же устройство полов по грунту в комплексе с системами термостабилизации. Огромный накопленный опыт проектирования и строительства зданий и сооружений на вечной мерзлоте, в том числе и технические решения ООО НПО «Фундаментстройаркос», позволяет утверждать, что наиболее надежными, устойчивыми и перспективными являются объемно-планировочные решения с использованием систем ТСГ. Такого рода основания могут нести здания и сооружения с широкими корпусами и большими габаритами свыше 100 м.

Системы ТСГ, выпускаемые ООО  НПО «Фундаментстройаркос»,  для оснований зданий и сооружений можно разделить на три группы:

- ТК - индивидуальные СОУ - термостабилизаторы (вертикальные, наклонные, слабонаклонные).

- ГЕТ - (горизонтальная, естественнодействующая, трубчатая), состоит из размещенных под теплоизоляцией горизонтальных охлаждающих и соединительных труб, конденсаторного блока, ускорителя циркуляции и гидрозатвора.

- ВЕТ - (вертикальная, естественнодействующая, трубчатая), состоит из вертикальных охлаждающих труб (ТОВ), соединительных труб, конденсаторного блока, ускорителя циркуляции и гидрозатвора.

Системы ТК используют для термостабилизации свайных фундаментов в пространстве проветриваемого технического подполья, а также по периметру здания. Кроме того, наклонные модификации ТК могут охладить основания ширококорпусных зданий с полами по грунту. Наиболее инновационным техническим решением являются системы ГЕТ и ВЕТ. Система ГЕТ – она позволяет приводить надежную термостабилизацию зданий с полами по грунту и с техподпольями шириной корпуса свыше 100 м.

Система ВЕТ – наиболее универсальное техническое решение, позволяющее термостабилизировать как вертикальные точечные объемы грунта, приуроченные к местам расположения свай и свайных фундаментов и контура здания, так и замораживать горизонтальные слои грунта, являющиеся основанием под нагружаемые полы.

Системы ГЕТ и ВЕТ дают огромные экономические преимущества за счет значительного сокращения расходов строительных материалов, используемых для оснований и фундаментов, при возведении зданий и сооружений. Но самое главное преимущество систем ГЕТ и ВЕТ заключается в том, что их использование существенно позволяет увеличивать ширину зданий и сооружений в плане (более 100 м), что в свою очередь приносит огромный экономический эффект за счет сокращения протяженности инженерных сетей (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Приемущества использования сблокированных ширококорпусных зданий с системами ГЕТ и ВЕТ на примере ОБП (опорная база промысла)

 

Одним из путей снижения затрат на строительство и эксплуатацию сооружений на ММП является строительство зданий и сооружений с полами по грунту, применение укрупненных и сблокированных зданий с использованием горизонтальных  трубчатых сезоннодействующих систем (ГЕТ). В докладе показаны здания и сооружения УКПГ Самбургского месторождения, где все здания и сооружения построены с применением  полов по грунту и систем ГЕТ. Это позволило на 40 % сократить стоимость работ и построить объекты за 1 год.

Приведены примеры применения сблокированных зданий Опорной базы промысла. Как видно из таблиц и диаграмм,  применение систем ГЕТ позволяет строить сблокированные здания на ММП шириной до 108 метров. Использование  сблокированных зданий позволяет почти в 2 раза сократить площадь застройки  и существенно сократить затраты на эксплуатацию.

Сокращение сроков строительства возможно при использовании для предпостроечного промораживания грунтов в летний период современных   компактных, полностью автоматизированных,  передвижных холодильных машин с импортным оборудованием в контейнерном исполнении. Стоимость этих машин в два раза меньше, чем у отечественных производителей.  После выполнения замораживания грунтов эти машины могут  быть использованы на других объектах, или  оставаться на объектах и использоваться для замораживания грунтов при аварийных ситуациях. Наиболее удачное техническое решение - это холодильная машина фирмы «Эйркул» г. Санкт-Петербург,  которая используется для замораживания грунтов при строительстве метро. Приведены примеры использования холодильных машин при строительстве сооружений на ММГ. Холодильная машина подключается к рассольным коллекторам, соединенным с  полиэтиленовыми трубами, которые уложены параллельно охлаждающим трубам сезоннодействующих систем и включается после устройства теплоизоляции, примерно в  июне месяце. К окончанию  строительства сооружения, к  сентябрю, холодильная машина производит промораживание грунтов, что обеспечивает несущую способность грунтов, что обеспечивает  досрочный пуск их в работу. В октябре месяце холодильная машина отключается и включаются в работу  сезоннодействующие системы, которые производят дальнейшее промораживание грунтов и их последующую температурную стабилизацию.

Опыт строительства наглядно демонстрирует, что практически на всех объектах Уренгойского, Ямбургского и Медвежьего месторождения после 10 лет эксплуатации без применения систем термостабилизации грунтов оснований начинаются деформации свай.

Преимущества ОБП с укрупненными объектами:

1.сокращение протяженности инженерных сетей:

- теплоснабжения;

- водоснабжения;

- канализации;

- электросетей.

2.  Снижение затрат на отопление (периметр в 1,6 раза на отопление уменьшается)

3. Площади генплана, отсюда и отсыпки грунта

4. Снижение затрат

5. Уменьшение площади внутриплощадочных  дорог и технических проездов.

 

Специалистами НПО ФСА разработан типоразмерный ряд новых и перспективных объемно-планировочных решений укрупненных зданий и сооружений, некоторые из которых представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Инновационные технические решения зданий с применением несущих конструкций (для укрупненных зданий с широким корпусом):
а) торговый центр, б) офисные помещения, в) жилые здания.
Обозначения: 1 – вентилируемая холодная стоянка; 2 – пенополистирол; 3 – кровля ВМГ; 4 – ГЕТ и ВЕТ; 5 - свайный фундамент
 
 
 
 
Рисунок 4. Объемно-планировочные решения промышленных зданий

 

Основные технико-экономические показатели, демонстрирующие преимущества новых объемно-планировочных решений представлены в таблице 2.

 

Таблица 2.  

Все построенные объекты постоянно контролируются и обследуются, кроме того, ведется непрерывный  геокриологический мониторинг. Одним из таких объектов может  служить «Производственный корпус ремонтно-механического цеха», Поз. 37; «Производственный корпус цеха КРС и ПРС», Поз. 39 Ванкорского НГКМ. На рисунке 5 приведены термограммы, полученные по результатам многолетнего геокриологического мониторинга, позволяющие судить:

1. О достаточно хорошей корреляции расчетных, прогнозных и фактических значений температур грунта оснований;

2. О стабильном снижении температур грунта от года к году с явно выраженным отрицательным трендом.

Результаты анализа и проведенных исследований используются при проектировании и строительстве объектов на вечной мерзлоте с использованием систем температурной стабилизации грунтов  оснований.

Помимо традиционно используемых в отчетных материалах ООО «НПО «ФундаментСтройАркос» графиков средневзвешенных температур по всему массиву грунтового основания, имеющих некоторые свои сильные стороны, предлагается больше внимания уделять анализу фактических температур в конкретных термометрических скважинах.

В качестве примера проанализируем ситуацию с температурным режимом грунтов в основании фундаментов производственных корпусов электро- и ремонтно-механического цехов, а также цеха КРС и ПРС (соответственно, позиции 36, 37 и 39), расположенных на территории Ванкорского месторождения.

Рисунок 5. Тренд изменения средневзвешенных температур по массиву грунтового основания рассматриваемых объектов (Поз. 36, 37, 39)

Рассматривая в целом тренд изменения средневзвешенных температур по всему массиву грунтового основания указанных выше объектов (рисунок 5), можно сделать вполне закономерные выводы:

1. Грунты в основании объекта находятся в твердомерзлом состоянии.

2. Наблюдается устойчивое понижение температуры грунтов в основании объекта.

3. Системы термостабилизации работают в проектном режиме.

Для более подробного анализа рассмотрим динамику температурного режима грунтов по данным термометрических скважин №№ 7 и 8 (ТТ7, ТТ8), расположенных соответственно в северо-западном и северо-восточном углах производственного корпуса цеха КРС и ПРС. Поз. 39 (рисунок 6).

 
Рисунок 6. Динамика температуры грунтов в термометрических скважинах ТТ7 (а) и ТТ8 (б) за период 18.03.2009-04.01.2011гг. Ванкорское месторождение. Цех КРС и ПРС. Поз. 39
 
 
Очевидно, что в холодный период 2009-2010гг. процесс промерзания грунтов проходил значительно более интенсивно вблизи ТТ8, чем вблизи ТТ7. Эта же тенденция проявляется в холодный период 2010-2011гг. К возможным причинам этого можно отнести нахождение в производственном корпусе источников тепла разной мощности, различное нагревание стен корпуса в зависимости от количества попадаемой на них солнечной радиации, толщины и состояния находящегося за внешними стенами снежного покрова, техническое состояние системы термостабилизации грунтов и др.
 
В каждый теплый период наблюдений положительные температуры проникали в грунты на глубину около 2м. Дальнейшему их продвижению препятствует термоизолирующий слой, представленный пеноплэксом. Ниже размещена система термостабилизации грунтов. Кроме того, с глубиной  идет естественный процесс затухания внутригодовых колебаний температуры грунтов. Отсюда можно сделать вывод о том, что для более корректного анализа температурного поля грунтов, в том числе воздействия на него со стороны систем и устройств их термостабилизации, необходимо учитывать температуру грунтов глубже 2м.