Инженерная защита территорий, зданий и сооружений в условиях криолитозоны (видео)

В статье приведены основные принципы и методы сохранения многолетнемерзлых грунтов при строительстве объектов в условиях Крайнего Севера.

При реализации крупных проектов в условиях криолитозоны: прежде всего, при комплексном освоении территории, строительстве портов, терминалов, производственных и инфраструктурных объектов – неизбежно происходит негативное влияние на вечномерзлые грунты. Для избежания негативных сценариев необходимо предусматривать комплекс мероприятий по инженерной защите территории.

Без необходимых компенсирующих мероприятий и надлежащего контроля масштабное строительство чревато растеплением мерзлоты и значительным ухудшением физико-механических свойств грунтов основания. Это может привести к тяжелым технологическим последствиям: подвижкам склонов, просадкам грунтов – что крайне негативно скажется на сооружениях.

 

Негативные факторы и принципы управления рисками растепления мерзлоты

Строительство, как правило, подразумевает удаление верхнего покровного слоя (является естественным теплоизолятором). В результате изменения рельефа и сведения лесов меняется режим освещенности, что ускоряет прогрев грунта летом.

Существенное влияние оказывает изменение гидрологической ситуации в районе площадки строительства, вызванное перенаправлением естественных русел водотоков, корректировкой уровня водоемов, изменением характера поверхностного стока и т.п.

Компенсирующие мероприятия следует закладывать не только из расчета последующей эксплуатации объекта, но и на период проведения строительно-монтажных работ, с учетом негативного влияния технологических процессов.

При разработке концепции инженерной защиты территории площадка разделяется на зоны, в зависимости от размещаемых сооружений и принципов использования криолитозоны: с сохранением мерзлоты, либо с запланированным растеплением грунтов.

В первом случае разрабатывается комплекс компенсационных мероприятий. Во втором – предусматривается устройство фундаментов, рассчитанных на последующую деградацию многолетней мерзлоты.

При проектировании важно не только оценивать текущее состояние, но и выполнять долговременный прогноз изменения температуры многолетнемерзлых грунтов на всех этапах жизненного цикла сооружения. Эту динамику следует учитывать при расчетах параметров оснований зданий и сооружений, дорог, оползнеопасных склонов и т.д.

Частный случай негативного влияния строительства – тепловое загрязнение грунтового массива, вызванное нагревом при твердении бетона и цементных смесей. Необходимо учитывать объем материала, который контактирует с мерзлыми грунтами, а также использовать специализированные составы, снижающие тепловыделение.

Также при проектировании оснований следует учитывать влияние низких температур окружающего конструкции массива грунта на процесс набора прочности бетонов и строительных смесей.

Основное внимание при проектировании инженерной защиты мерзлоты уделяется водоотведению. Этот вопрос необходимо рассматривать комплексно, не ограничиваясь одной лишь строительной площадкой. Решение локальной проблемы может инициировать негативные процессы на сопредельных территориях, что приведет к возникновению новых рисков как для соседних объектов, так и для самой площадки строительства.

За счет высокой теплопроводности вода интенсивно влияет на криологическое состояние грунтов. Изменение уровня воды в водоемах, корректировке русел водотоков (ручьев и рек) при определенных условиях приводит к ускоренной деградации массивов, инициирует склоновые процессы.

Комплекс мероприятий по водоотведению должен учитывать последствия изменения гидрологического режима водных объектов и их влияние на защищаемые объекты.

На основании анализа исходных данных принимаются решения о параметрах инженерной защиты площадки.

 

Основные технические решения

К основным компенсирующим мероприятиям относится применение теплоизоляционных материалов и термостабилизационных установок (принудительное охлаждение).

Широкие возможности для применения в условиях криолитозоны есть у легких насыпей, тело которых формируется из блоков экструдированного пенополистирола (ЭПС или XPS). Применение такой конструкции решает сразу две задачи – вместе с сохранением температурных показателей она существенно снижает нагрузку на основание.

При изменении рельефа, в частности для защиты обнажаемого мерзлого грунта при подрезке склонов, применимо нагельное крепление, покровный слой которого дополнен теплоизолирующими матами.

Система термостабилизации устраивается рядом с защищаемым объектом, способствуя более интенсивному промерзанию грунта в зимний период для поддержания температурного режима массива. Установка работает автономно, не требуя внешних источников энергии.

Устройство навесов – еще одно решение, способствующее пассивному улучшению терморегуляции грунта. Принцип действия конструкции аналогичен проветриваемому подполью: летом навесы защищают поверхность грунта от падения прямого солнечного света, а зимой препятствуют образованию снежного покрова, способствуя более интенсивному промерзанию.

Для эффективной инженерной защиты объектов, расположенных в криолитозоне, необходим комплексный подход, учитывающий состояние вечной мерзлоты на протяжении всего жизненного цикла сооружений. Только такой подход позволяет принимать рациональные технические решения.

Опыт проектирования в условиях криолитозоны

Инженеры «ГЕОИЗОЛ Проект» разработали ряд проектов по обеспечению устойчивости существующих и усилению основания строящихся мостовых сооружений, расположенных на полуострове Ямал.

На одном объекте изменение водного режима реки вызвало растепление вечномерзлых грунтов, что привело к серьезным деформациям железнодорожного транспортного перехода – береговые опоры начали смещаться в сторону русла.

 

Ремонт мостов на Крайнем Севере, в связи с отсутствием альтернативных маршрутов, принципиально важно выполнять без остановки движения. Комплексное решение по обеспечению устойчивости сооружения учитывает эту специфику.

Проект предусматривает увеличение коэффициента устойчивости насыпи путем устройства грунтовых анкеров GEOIZOL-MP с прижимными плитами. Буроинъекционные анкеры закрепляются в устойчивых слоях грунта у основания конуса моста. Стабилизация деформаций достигается в результате натяжения GEOIZOL-MP на анкерные железобетонные плиты.

Выполнение шпунтовой стенки вдоль береговой линии защищает основание конуса от возможного размыва в период половодья.

Предложенные решения позволяют использовать малогабаритную технику. Цементный раствор, применяемый при устройстве многофункциональной геотехнической системы GEOIZOL-MP, изготавливается на месте производства работ. Все необходимые материалы и оборудование легко доставить железнодорожным транспортом на стройплощадку и использовать под пролетами сооружения, а выполнение работ не препятствует движению поездов на участке железной дороги.

При строительстве мостовых переходов в северных регионах строители часто сталкиваются с неблагоприятными геологическими условиями – берега и русла рек, как правило, сложены водонасыщенными илистыми и глинистыми грунтами. Вариантом оптимального решения для усиления таких участков будет устройство «щебеночных свай».

Технология виброуплотнения с выполнением колонн из инертных материалов улучшает прочностные и деформационные свойства грунтов основания и обладает рядом преимуществ, учитывая дефицит стройматериалов и техники на Крайнем Севере.

Производство работ не предполагает использование товарного бетона, что решает не только логистические задачи, но и предотвращает негативное тепловое воздействие на грунт. При устройстве «щебеночных свай» применяются инертные материалы. Это делает технологию не только экономически эффективной, но и наиболее экологичной.

Иван Богданов, главный конструктор «ГЕОИЗОЛ Проект»

 

Доклад был зачитан 23 ноября 2021 года в рамках IV международной научно-практической конференции «Современные технологии инженерных изысканий, проектирования и строительства на многолетнемерзлых грунтах», организованной Международной ассоциацией фундаментостроителей.

 

ВИДЕОПРЕЗЕНТАЦИЯ ДОКЛАДА