Главное меню

Строительство в условиях вечной мерзлоты


Особенности строительства и проектирования в условиях вечной мерзлоты

Автор: Шафигуллина Лейсан, Студентка инженерно-строительного факультета Казанского (Приволжского) федерального университета (филиал в г. Наб. Челны)

Территории вечной мерзлоты, как и каждая природно-климатическая особенна по-своему. Но это не означает, что там нельзя строить здания и сооружения. Это возможно при любых климатических условиях. Всего на всего нужно соблюдать определенные требования к строительству и проектированию. И тогда любое здание будет функционировать на том же уровне что и в умеренных широтах.

Какие же требования нужно выполнят при строительстве и проектирование зданий в условиях вечной мерзлоты? По строительным нормам принято выделять два принципа проектирования и строительства в условиях вечной мерзлоты.

По 1 принципу – в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов, как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации.

По 2 принципу – перед строительством грунты предварительно оттаивают или используют грунты, оттаивающие в период эксплуатации. В этом случае вечная мерзлота грунтов не сохраняется.

Что касается сохранения вечномерзлого состояния грунтов, то можно применить следующие приемы…

1. Возводить здание на подсыпках (рис. 14.6,а) и обеспечить теплоизоляцию поверхности и грунта (рис. 14.6,б). Этот прием рассчитан на охлаждение массива грунта основания с боков. В случае если такое охлаждение окажется недостаточным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и начнется оттаивание грунтов в основании.

2. Устройство вентилируемых подполий (рис. 14.6,в). Используется при строительстве и проектирование жилых, общественных и промышленных зданий. В этом случае уменьшается застаивание воды подполье.

3. Расположение на 1 этаже неотапливаемых помещений (рис. 14.6,г), что тоже выполняет роль вентилируемого подполья. Для интенсивного охлаждения стены 1 этажа из теплопроводных материалов, а окна – с одинарным остеклением.

4. Устройство под полом вентиляционных каналов (рис. 14.6,д), а в местах выделения большого количества тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов (рис. 14.6,е) саморегулирующими колонками или специальными холодильниками установками с замораживающими колонками.

5. Устройство свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. При этом укладка теплоизоляции под полом отапливаемого здания существенно уменьшает глубину оттаивания.

А что касается 2 принципа, то при проектировании и строительстве фундаментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.

Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов во время эксплуатации. Поэтому следует возводить здания малочувствительных конструкций. А в некоторых случаях следует регулировать и сам процесс оттаивания.

При проведении бетонных и каменных работ нужно выполнять специальные требования…

Укладка бетона должна производиться на основание, состояние которого полностью исключает замерзание смеси по линии стыка с ним, а также возможность деформаций из-за пучинистости грунтов. С этими целями основание участка бетонирования нагревается до достижения им положительной температуры, а после укладки смеси сохраняется от промерзания до тех пор, пока бетон не наберет критическую прочность.

Непосредственно перед началом работ по бетонированию опалубка и арматура чистятся от наледи и снежных масс. Если диаметр арматуры превышает 25 мм, либо она выполнена из жесткого профилированного проката или содержит металлические закладные элементы значительного размера, то в условиях отрицательных температур менее -10оС следует нагреть арматуру.

Процессы бетонирования в условиях отрицательных температур производятся быстро и непрерывно – каждый нижерасположенный слой бетона следует перекрыть новым прежде, чем его температура упадет ниже расчетной.

Современные технологии выполнения бетонных работ в условиях вечной мерзлоты позволяют достичь высокого качества строительных конструкций при оптимальном уровне затрат. Условно они делятся на три группы:

В зависимости от ситуации на строительной площадке, приведенные способы выдерживания бетона при низких температурах можно использовать комбинационно. Окончательный выбор в пользу одной из технологий строится на типе конструкций и ее габаритах, на виде бетона, его составе и проектной прочности, которую он должен набрать, местных климатических условий на момент производства работ, энергетических возможностей на строительном объекте и т.д.

Применяют специальные химические добавки. Некоторые химикаты – поташ К2СО3, хлористый кальций CaCl, нитрат натрия NaNO3 и пр. – будучи введенными в состав бетона в небольшом объеме, как правило, не более 2% от количества цемента, повышают скорость твердения бетона на начальном этапе выдерживания. Химические добавки также обеспечивают смещение точки замерзания воды до -3оС, что позволяет нарастить сроки остывания бетона и тем самым обеспечить ему больший набор прочности.

Составление бетонных смесей, включающих в себя химические добавки, выполняется с использованием горячей воды и нагретых зернах наполнителя. При извлечении из смесителя такой бетон обычно имеет температуру от 25 до 35оС, непосредственно перед укладкой его температура падает до примерно 20оС. Укладку в конструкции химически модифицированных бетонов осуществляют при внешней температуре воздуха от -15 до -20оС, после размещения в утепленной опалубке сверху настилается один-два слоя теплоизоляции. Отвердение бетонной конструкции происходит за счет эффекта «термоса» при одновременном действии дозированных химических компонентов. Технология «термосного» бетонирования наряду с использованием химикатов проста и относительно недорога.

В итоге, можно сказать, что здания и сооружения можно построить при любых климатических условиях, только следует применять нужные меры и соблюдать нормы и правила проектирования и эксплуатации зданий и сооружений.

Строительство на мерзлоте: опыт и новшества

Looking at the map of the Krasnoyarsk area, one can notice that our northern land is endless and … empty. In Evenkiya and at Taimyr the occupancy rate is only 0.03-0.06 people for square kilometer. Nevertheless, this severe land, the extremely Northern one (the Taimyr peninsula owns the northernmost point of the Eurasia), is successfully explored.

Если посмотреть по карте Красноярского края на наши северные пространства, они необозримы… и пустынны! В Эвенкии и на Таймыре показатель населенности составляет всего лишь 0,03-0,06 человека на квадратный километр. И все же эта суровая земля, крайне далекий север (на полуострове Таймыр расположена самая северная точка евразийского континента) сегодня успешно осваивается человеком.

Область вечной мерзлоты, которая занимает две трети площади нашей страны, называют стратегическим тылом России, ее кладовыми, топливно-энергетической базой и валютным цехом. Здесь работают комбинаты, шахты и карьеры, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом.

О том, как возводят здания на северных территориях, об особенностях заполярных сооружений и роли энергосберегающих технологий в условиях сурового климата мы побеседовали с заместителем первого проректора СФУ по науке и международному сотрудничеству, доктором технических наук, профессором Рашитом Назировым(Р.Н.) и доктором технических наук, профессором, советником Российской академии архитектуры и строительных наук и преподавателем кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий Юрием Гончаровым(Ю.Г.), принимавшим непосредственное участие в строительстве домов Заполярья.

Город на краю Земли

– Рашит Анварович, Юрий Михайлович, можно ли выделить особые принципы строительства в условиях Севера?

Р.Н.: Кардинальных различий в возведении домов на Севере и «на материке» нет. Однако особенности есть. Общие принципы строительства основаны на фундаментальных законах физики. Прежде всего, необходимо обеспечить надёжную теплоизоляцию дома. Это означает применение продуманных конструктивных схем зданий, которые гарантируют отсутствие «мостиков холода», использование эффективных материалов и энергосберегающих технологий. И, конечно, это особенности строительства фундаментов.

Ю.Г.: Строить дом на ледяном панцире, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно. Рыхлые грунты – песчаники, галечники и глины – в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведенные на них сооружения нагревают грунт, и он теряет монолитность, начинает подтаивать и смещаться. Известны случаи разрушения неправильно построенных домов в Чите, «плывут» некоторые участки БАМа. А в Канаде, например, жителям пришлось покинуть целых два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли. Так что строить основания зданий на мерзлоте можно, только приняв специальные меры для поддержания постоянной температуры грунта.

– Например, строить на сваях?

Р.Н.: Да. Хотя сегодня на Севере применяются два варианта возведения фундаментов: не только на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием и обеспечивается естественная вентиляция мерзлой поверхности, но и непосредственно на грунте. В последнем случае необходима высокая теплоизоляция, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.

Ю.Г.: Надо сказать, что сегодня достижения науки позволяют строить дома в любых условиях, даже на льдах. Существует множество видов свай, например, буронабивные – одна из ведущих разработок красноярских ученых. Согласно этой технологии специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном. Сегодня при строительстве используют бетоны специальных составов, с присадками, которые не успевают замерзнуть в процессе заливки. Если раньше при установке свай грунт оттаивали паром в течение нескольких месяцев, то бурение позволило в разы ускорить этот процесс.

Буронабивной фундамент

– Кто и когда впервые применил свайные технологии строительства на Севере?

Ю.Г.: В Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Но применение свай при возведении крупнопанельных домов – это изобретение 60-х годов прошлого века. Автором этого способа строительства фундаментов был инженер-строитель Михаил Ким, один из бывших заключенных Норильлага, который изучал свойства вечной мерзлоты еще с 30-х годов.

Строительство будущего Норильска начиналось на скальных породах, где фундаменты можно было ставить обычным способом. И когда в конце 30-х здесь начал работать проектный отдел, собранный из сосланных архитекторов и инженеров, опыта строительства на вечной мерзлоте не существовало нигде в мире! Благодаря идеям Кима, который предложил ставить дома на сваях, жилищное строительство в Норильске в начале 60-х приобрело широкие масштабы. Десяти архитекторам и строителям города, в том числе и Михаилу Киму, в 1966 году была присуждена Ленинская премия «за разработку и внедрение принципиально новых методов индустриального строительства в условиях Крайнего Севера». В их честь названа улица Лауреатов…

– А как в вечной мерзлоте решается проблема коммуникаций?

Ю.Г.: В небольших северных посёлках их прокладывают поверху, а вот в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м – в три раза глубже, чем в Красноярске. Коллекторы проходят в отдалении от домов, чтобы уберечь от тепла мерзлые грунты под зданиями. А дорогу, под которой проведены коммуникации, чистят от снега особенно тщательно, чтобы ветер остужал землю.

Строительство города Норильск, 1980-е гг.

– Кстати, о сильных ветрах Норильска. Можно ли бороться с этой стихией градостроительными методами?

Ю.Г.: Сильные ветры и частые метели – это еще одна особенность северного климата, с которой сталкиваются проектировщики и строители. На Таймыре, в Норильске крайне тяжелые погодные условия. Скорость ветра в один метр в секунду, по ощущениям человека, понижает температуру воздуха на два градуса. Например, когда температура ­- 400 и дует ветер в 18 м/с, мороз получается на уровне – 800! Местный климат по жесткости уступает только антарктическому. Для борьбы с ветром норильские кварталы строили замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, компактно. Благодаря этому получалось снижать скорость ветра. Фасады и крыши заполярных домов отличаются ровными линиями и простыми профилями – это служит профилактике снежных заносов.

– Какие именно научные учреждения занимались вопросами северного строительства?

Ю.Г.: Большие масштабы строек на Севере в трудных погодных условиях требовали постоянных научных разработок. Еще в 1957 году была организована Якутская комплексная научно-исследовательская станция – специально для изучения строительных технологий, разработки норм и инструкций, накопления опыта работы в мерзлотных условиях. Была в Якутии создана и лаборатория технологии стройматериалов. В 1962 году обе эти организации объединились в Якутский отдел Красноярского НИИ по строительству Академии строительства и архитектуры СССР. Мне довелось несколько лет возглавлять его. Впоследствии Красноярский НИИ по строительству был переименован в ПромстройНИИпроект, где, без преувеличения, объединились лучшие силы страны в области заполярного строительства. Наши научные разработки востребованы до сих пор!

P.Н.: К сожалению, надо признать, что сегодня в вопросе возведения зданий на северных территориях во многом утрачена преемственность поколений. Очень немногие люди по-настоящему владеют практикой подобного строительства. Организации, которые ведут работы сегодня, строят по СНиПам, разработанным еще в советское время. А вот новых научных и теоретических разработок почти не ведется. Часто проект делает организация, которая имеет об объекте весьма смутное представление.

– Как активно идёт строительство на Севере в наши дни? Народ сейчас оттуда скорее уезжает…

Р.Н.: Динамика строительства городов на вечной мерзлоте будет расти благодаря разработкам новых месторождений на севере края. Например, освоение Ванкорского месторождения способствует развитию Игарки. Всего один факт: пассажиропоток в городе за последние полтора года увеличился почти в три раза! В связи с проектами освоения Нижнего Приангарья активно развиваются Богучаны… Это, безусловно, положительные моменты.

Строительство БАМа

Точка отсчета

-Так или иначе, все сегодняшние масштабные промышленные проекты на Севере имеют отношение к энергетической отрасли. А недавно в стране был принят закон «Об энергосбережении». С чем это связано в широком смысле?

Анализ климатических параметров населенных пунктов, расположенных на территории нашего края, показывает: Красноярск является наиболее «благоприятным» городом с точки зрения проектирования тепловой защиты (упрощенно говоря, именно в нашем городе с наименьшими затратами можно построить дом, в котором жильцам будет тепло).

Р.Н.: Все началось с энергетического кризиса 70-х годов. Но если вспомнить, нефть тогда стоила 17 долларов за баррель. Сейчас — около 80-100. И эта цифра будет только расти. В США, например, проблему энергосбережения рассматривают в числе основных, ее решение способствует обеспечению национальной безопасности. Несмотря на все меры по сбережению энергии, ее потребление, скажем, в жилищно-коммунальной сфере, будет увеличиваться на 1,5 – 2% ежегодно, причем в структуре потребления энергоносителей, по западной статистике, снизится доля потребления нефти, а использование энергии, вырабатываемой ГЭС и АЭС, останется примерно на прежнем уровне.

– Есть ли такие прогнозы в России?

Р.Н.: Должны быть, но они пока не стали всеобщим достоянием. Разработка программ по энергосбережению ведется на всех уровнях: федеральном, региональном, муниципальном. Уже с 1 января 2010 года вступили в силу требования Закона об обеспечении снижения потребления энергии и воды в государственных или муниципальных организациях. А до 1 января 2011 года органы государственной власти и местного самоуправления должны обеспечить завершение мероприятий по оснащению зданий, строений, сооружений приборами учета потребляемой воды, природного газа, тепловой и электрической энергии.

Предприятия будут обязаны принимать меры по дополнительной теплоизоляции помещений, утилизации и рекуперации тепла. Государство поставило в деле энергосбережения «точку отсчета». Наш университет, как бюджетное учреждение, должен по сравнению с прошлым годом уменьшить потребление энергии на 3%, а в течение пяти лет — на 15%. Деньги, которые выделяет на энергетические расходы федеральный бюджет, будут соответственно уменьшаться. При размещении заказов на поставку товаров и оказание услуг должны учитываться требования энергетической эффективности этих товаров.

Якутия, трубопровод

– В чем именно заключаются энергосберегающие технологии?

Р.Н.: Это, во-первых, автоматическое регулирование теплового режима зданий и применение альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, тепловые насосы и др.). Если взять административно-бытовые здания, то в нерабочие часы и дни, например, можно экономить на их освещении и отоплении. Во-вторых, это использование нового техрегламента по освещению с отказом от традиционных ламп накаливания – оно позволит сэкономить до 40% электроэнергии. В-третьих, утилизация тепла. Мы впустую тратим тепло, сливая горячую воду в канализацию. По строительным нормам в большей части помещений должен быть обеспечен один воздухообмен в час, а это значит, зимой нужно нагреть воздух, к примеру, от минус 40 до 21 градуса. Принимая во внимание объем здания, можно представить, сколько требуется энергии только на отопление. Эту тепловую энергию можно использовать. Если будет реализовано все, что предписывает закон, в ближайшие 2-5 лет можно будет сэкономить (по разным оценкам) от 15 до 40% энергии.

Продиктовано Севером

– Есть ли конкретные мероприятия по энергосбережению для районов Крайнего Севера?

Р.Н.: Все перечисленное имеет прямое отношение к северным территориям. Ну а в связи с тем, что Север потребляет намного больше энергии, мероприятия по ее экономии здесь приобретают еще большее значение. Например, расчетная температура при проектировании зданий в Москве – минус 28, в Красноярске – а это еще не север – показатель уже минус 40, в Богучанах дома строят, рассчитывая на минус 46, в Игарке – на минус 49, в Эвенкии – минус 55. Этот показатель рассчитывается по средней температуре самой холодной пятидневки. Помимо этого существует такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода, показывающая длительность отопительного периода и его среднюю температуру. Так вот, если для Москвы этот показатель составляет 4943 градусо-суток, то в Красноярске он равен 6575, а в поселке Ессей – 11532, почти в три раза больше, чем в столице.

– Как тогда там сэкономить?

Р.Н.: Только благодаря применению новых технологий. Развивая сырьевые отрасли, мы должны тратить полученную прибыль на разработку и внедрение новых способов энергосбережения. Необходимо вкладывать деньги в науку, в проекты. Не надо «стесняться» и заимствовать то хорошее, что есть в других странах. В Красноярском крае институт «Пром-стройНИИпроект» разрабатывает концепцию «Сибирского дома». К сожалению, СФУ пока не участвует в этом проекте, хотя есть предложение от института заняться разработкой эффективного жилья совместно. Реализация такого социального проекта, несомненно, даст толчок к развитию кластера специальных и энергоэффективных технологий, затраты на которые в условиях неослабевающего спроса на жилье должны быстро окупиться.

– Как, по-вашему, стоит ли вообще жить на Севере? Не проще ли добывать полезные ископаемые вахтовым методом, как это уже практикуется сегодня?

Ю.Г.: Я считаю, что жить на Севере можно. А к морозу привыкаешь быстро. Я, например, приехал туда с юга, из Дагестана, в январе 1959 года – и остался на десятилетия. В Норильске мы с женой год жили в бараке, с «удобствами» во дворе, потом в течение 11 лет – в доме, где бытовые условия тоже были трудными. Но Север проверяет людей, и в этом его особая прелесть.

Р.Н.: Надо использовать имеющийся у нас уникальный опыт возведения городов на Крайнем Севере. Университет может предложить комплексные решения всех основных проблем Заполярья, тем самым улучшая жизнь северян. На севере Сибири есть все полезные ископаемые, необходимые человеку. Глубокое освоение этих территорий неизбежно. И мы должны быть готовы к этому.

инженерные коммуникации, крайний север

Как возводят здания в условиях вечной мерзлоты

 «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.

Строительство с использованием вентилируемого подполья, Артем Набережный

«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».

Строительство на Вечной Мерзлоте

Влияние низких температур на нарастание прочности бетона и его качество является одним из принципиальных вопросов теории и практики зимнего бетонирования. Главный обобщающий вывод многочисленных работ, посвящённых этому вопросу, заключается в том, что замораживание бетонных смесей до возникновения капиллярно-пористой структуры определённой зрелости приводит к необратимому ухудшению конечных свойств материала. Степень зрелости бетона определяется комплексом факторов, влияющих на структурообразование в процессе твердения цемента, и условно определяется как «критический возраст», «критическая прочность». Результаты исследований этих процессов, полученных разными авторами, существенно отличаются.

Центральная лаборатория специальных высотных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект в течении нескольких лет проводила работы по исследованию влияния раннего замораживания на нарастание прочности бетона.

Исследования проводили на стандартных образцах бетона размерами 10х10х10 см в морозильной камере института при температурах : минус 20 градусов, минус 40 градусов и минус 60 градусов Цельсия, используя бетон марки 30 МПа изготовленный из портландцемента марки 40 МПа Старо-Оскольского завода с Нг-23%, минералогический состав клинкера : С3S – 55%, С2S – 19%, С3А – 7%, С4AF – 13% ; песок Академического карьера с модулем крупности 2,4 ; щебень гранитный фракции 5 – 10 и 10 – 20 мм по 50%. 

В качестве добавки применяли практически самый дешёвый, безвредный, распространённый по всей стране и не имеющий ограничений в применении универсальный комплекс : поверхностно-активное вещество ПАВ - технические лигносульфонаты ЛСТ и электролит - сульфат натрия Na2SO4 . Необходимо отметить, что другие исследованные электролиты : нитраты натрия и кальция пожароопастны так как выделяют кислород при нагревании, а все хлориды вызывают и интенсифицируют коррозию бетона и арматуры. Подвижность бетонной смеси составляла 9-10 см осадки стандартного конуса.

Состав бетона в кг/м3 :

Методика исследований - после бетонирования металлические формы с бетонной смесью герметически закрывали крышками и загружали в морозильные камеры с различной продолжительностью выдержки в нормальных условиях :

и выдерживали при отрицательной температуре ( минус 20, минус 40, минус 60 градусов Цельсия ) в течении 24 час. Прочность бетона определяли через 4 часа после распалубки форм и в возрасте 28 суток после последующей выдержки в нормально-влажностных условиях.

Полученные данные показывают :

Таким образом, увеличение времени предварительной выдержки до замораживания приводит к увеличению прочности бетона. При этом наибольшую прочность имеют образцы бетона, предварительно выдержанные при положительной температуре 3 суток, то есть имевшие перед замораживанием более высокую прочность и сформировавшуюся структуру. Анализ испытаний показывает, что однократное замораживание бетона с предварительной выдержкой в течении 24 час при -20, -40 и -60оС приводит к увеличению по сравнению с марочной, и только замораживание при -20оС без предварительной выдержки снижает прочность бетона : без добавки на 28%, с комплексной добавкой на 10% по сравнению с прочностью бетона твердевшего в нормальных условиях все 28 суток. Замораживание бетона с комплексной добавкой 0,15%ЛСТ + 1,0%Na2SO4 при -40 и -60оС без предварительной выдержки практически не снижает прочности бетона в 28-суточном возрасте.

Прочность образцов бетона при предварительной выдержке 8, 12, 24 часа и 3 суток и замораживании при -40 и -60оС с последующим выдерживанием в течении 28 суток в нормальных условиях, больше прочности бетона, твердевшего сразу после изготовления в нормальных условиях. При этом наибольшее увеличение прочности ( на 36 – 49% ) показали образцы, замороженные при -40оС, наименьшее увеличение ( на 9 – 16 % ) показали образцы, замороженные при -60оС. Итак, степень упрочения бетона при его замораживании зависит от температуры замораживания, продолжительности предварительной выдержки и состава бетона.

Для выяснения влияния условий замораживания образцов бетона на эффект упрочнения были поставлены дополнительные опыты. С этой целью образцы бетона без добавок предварительно выдерживали 12 час, затем подвергали однократному замораживанию при -20оС в течении 24 час. Прочность образцов бетона при сжатии после оттаивания в течении 8 час была следующая :

Условия замораживания образцов Прочность при сжатии, МПа:

  1. Распалубленные на поддоне 15.
  2. В металлической форме 20.

Результаты исследований показывают, что условия замораживания и хранения при -20оС оказывают влияние на последующий рост прочности бетона, причём прочность образцов хранившихся распалубленными на 20-25% ниже прочности образцов замороженных в металлических формах.

Все эти процессы можно объяснить замедленной гидратацией и стабилизацией гидростатического давления воды и её фазового перехода в лёд на относительно непрочную капиллярно-поровую структуру бетона. Однако микродеформации в структуре бетона не носят необратимого характера и при последующем выдерживании в условиях теплового воздействия и при нормальном твердении происходит не только восстановление, но и рост прочности бетона, подвергавшегося воздействию низких температур, по сравнению с бетоном, твердевшим сразу после изготовления в нормальных условиях 28 суток.

Возникновение и развитие при замораживании деструктивных процессов в бетоне связано с переходом свободной и связанной воды в лёд. Однако положительное влияние на нарастание прочности бетона оказывает замедленные гидратация и кристаллизация минералов цемента на начальных стадиях твердения после оттаивания, изменение состава и свойств жидкой фазы и пептизация новообразований в результате физико-химического обжатия структурных элементов.

Циклические замораживания и оттаивания при прочности бетона ниже критической приводят к его разрушению.

ВЫВОДЫ:

1. Расширение области строительства на нашем Крайнем Севере, в Сибири при длительной зиме и в условиях низких отрицательных температур на Вечной Мерзлоте занимающей 65% территории России, и в зоне переменного уровня воды предполагают необходимость точных инженерных Знаний и умение прогнозировать все характеристики и свойства бетонной смеси и бетона.

2. В результате исследований установлена общая тенденция для бетонов, подвергнутых однократному замораживанию после завершения периода схватывания, к превышению марочной прочности при хранении в нормальных условиях.

3. Степень проявления «эффекта упрочения при замораживании» зависит от состава бетона, условий выдерживания образцов при замораживании и температуры замораживания. При использовании в зимнем бетонировании технологии однократного замораживания оптимальным временем предварительной выдержки ( то есть в теплоизолирующей опалубке ) следует считать 8 – 12 час. Введение ПАВ ( ССБ, СДБ, ЛСТ, ЛТМ ) и электролитов ( СН ) значительно увеличивает прочность бетона.

4. Подтверждена перспективность направления разработки низко-температурных режимов выдерживания бетонов ( с использованием естественного охлаждения ) на ранних стадиях процесса твердения при зимнем бетонировании.

Фото 1. Бетонные работы при строительстве самой северной в мире Колымской ГЭС на Вечной Мерзлоте, 1976 год.

Фото 2. Самая северная в мире Колымская ГЭС была успешно построена и начала работать в ХХ веке на Вечной Мерзлоте и в зоне переменного уровня воды

Фото 3. Лауреат Государственной премии СССР 1969 года заведующий центральной лабораторией высотных и специальных сооружений и конструкций ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР к.т.н. Б.Д.Тринкер, 1946 – 1992 годы.

Библиография:

1. Тринкер, Б. Д. Морозостойкость бетона и методика его испытания, Сб. трудов «Бетоны и растворы», НИИЖБ, Госстройиздат, вып. 12, 1959.

2. Тринкер Б.Д. Инструкция по обогреву бетона паровыми калориферами при возведении железобетонных монолитных дымовых труб в зимних условиях, Министерство строительства РСФСР, Техн. упр. Науч.-исслед. ин-т по строительству, Москва, ЦБТИ, 1961, 23 стр.

3. Тринкер Б.Д. Бетонирование крепи шахтных стволов, пройденных по замороженным породам, журнал «Шахтное строительство», № 3, 1962, 7 – 10.

4. Тринкер, Б. Д. Вопросы морозоустойкости бетона высотных сооружений, журнал «Специальные работы в промышленном строительстве», ЦБТИ Госмонтажспецстроя, 1/13, 1963.

5. Скрамтаев, Б. Г., Тринкер Б. Д. О повышении долговечности железобетонных башенных градирен. Журнал «Бетон и железобетон», N 1, 1967.

6. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона, Москва, Стройиздат, 1967.

7. Тринкер, Б. Д. Исследование прочности сцепления, морозостойкости и водопроницаемости бетона с рабочими швами бетонирования. Журнал «Гидротехническое строительство», 9, 1967.

8. Мчедлов-Петросян О.П., Ушеров-Маршак А.В., Чернявский В.Л. Структурообразование цементных бетонов при замораживании, сборник «Совершенствование методов бетонирования монолитных конструкций зданий и сооружений, в том числе в зимний период», Красноярск, 1967.

9. Москвин В.М. Деформации цементного камня, раствора и крупного заполнителя при раннем замораживании бетона, журнал «Бетон и железобетон», № 12, 1969.

10. Шестоперов, С. В., Тринкер, Б. Д. Опыт применения пластификаторов и пластифицированных цементов при производстве сборных железобетонных изделий, «Пути снижения расхода цемента в промышленности сборного железобетона», МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1970.

11. Тринкер Б.Д. Опыт подводного бетонирования свай методом ВПТ в условиях Крайнего Севера, журнал «Транспортное строительство» № 2, 1971, стр. 17 – 118.

12. Тринкер Б. Д. Инструкция по выбору состава бетона и технологии бетонирования при креплении шахтных стволов, проходимых в сложных гидрогеологических условиях, ВСН 326-74, Минмонтажспецстрой СССР, Москва, 1972, стр. 1-32.

13. Тринкер Б. Д., Заседателев И. Б., Демина Г. Г. Исследование влияния однократного замораживания на нарастание прочности бетона, ВНИПИ Теплопроект, сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», № 41, 1976, стр. 14-21.

14. Тринкер Б. Д. Инструкция по бетонированию конструкций тяжёлых морских причалов, возводимых в условиях низкотемпературной среды, ВСН 336-76, Минмонзтажспецстрой СССР, Москва, 1977, стр. 1-60.

15. Тринкер Б.Д. Вопрос влияния раннего замораживания на последующее нарастание прочности бетона после оттаивания, RILEM, «Второй международный симпозиум по зимнему бетонированию. Генеральные доклады» Москва, Стройиздат, 1978, стр. 239 -241.

16. «Руководство по зимнему бетонированию с применением метода термоса», Стройиздат, НИИЖБ, Москва, 1976, стр. 1 – 194.

17. Тринкер Б.Д., Лазутина Т.В. Безусадочные морозостойкие бетоны для замоноличивания стыков железобетонных конструкций сборных башенных градирен, Сб. Трудов «Специальные бетоны и сооружения», Москва, ВНИПИ Теплопроект, 1986, cтр. 3 - 6.

18. Тринкер А.Б. От минус 40 до плюс 50 градусов Цельсия, журнал «Технологии бетонов», № 1 – 2, 2012, стр. 28 – 31. 

Покуда вечна мерзлота: почему для строительства в Арктике нужны новые правила - Общество

МОСКВА, 20 апреля. /ТАСС/. Глобальное потепление климата и таяние вечномерзлых грунтов - одна из причин, по которым Минстрой РФ к 2020 году намерен создать новые регламенты для строительства в Арктике. Другая причина - необходимость введения новых правил эксплуатации зданий на территориях вечной мерзлоты, так как техногенные факторы непосредственно влияют на устойчивость фундаментов.

Отрицательная температура - вечная мерзлота

Есть мнение, что существующие нормы строительства в Арктике становятся неэффективными из-за глобального потепления. "Есть действующие нормативы, но они не отвечают современным требованиям безопасности в контексте климатических изменений. Считается, что мерзлота вечная, но это не так. Должны быть разработаны новые подходы", - рассказал ТАСС директор норильского научно-исследовательского центра изучения мерзлоты "Экофундамент" Али Керимов. Эта компания занимается проектированием зданий для арктических условий с 1950-х годов (когда началось строительство современного Норильска).

Другие эксперты говорят, что климат в Арктике меняется уже на протяжении полувека, и за это время ничего страшного со зданиями не произошло - только если строения неправильно эксплуатировались. По словам заведующего лабораторией инженерной геокриологии Института мерзлотоведения СО РАН Дмитрия Шестернева, на территории вечной мерзлоты в России температура повышается с 1960-х годов - рост в зависимости от района составляет до 0,02 градуса Цельсия, среднегодовая температура грунта колеблется от минус 13 до минус 3 градусов.

"Глобальное потепление климата мало сказывается на изменении качества зданий, построенных на сваях. Если здание начинает разрушаться, то это либо ошибки в проектировании и изысканиях, либо неправильная эксплуатация", - сказал Шестернев.

По словам заведующего лабораторией геоэлектрики Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН Владимира Оленченко, за последние 30 лет температура вечной мерзлоты уже поднялась на 1,5-2 градуса, но проблемы с грунтами зачастую обусловлены человеческим фактором. "В Забайкальском крае, например, в Чите, мерзлота деградировала. Но это не привело к массовому разрушению домов. Обнаруженные деформации оказались связаны с ошибками в эксплуатации - мерзлоту растопили утечки воды", - сказал Оленченко.

Как сообщил ТАСС заместитель генерального директора по проектно-изыскательским работам АО "Фундаментпроект" Александр Рязанов, сооружения обычно рассчитываются на 30-50 лет эксплуатации, и за этот срок грунты не растают. "Даже при потеплении климата в ближайшие десятилетия температура останется в отрицательном диапазоне. Потепление произойдет не единовременно. Мы проводили расчеты для месторождения в Новом Уренгое, и увидели, что через 30 лет потепление может только начать сказываться на сооружениях, при этом техногенный фактор оказался гораздо сильнее", - сказал Рязанов.

Технологии на страже мерзлоты

Эксперты сходятся во мнении, что существующие строительные технологии способны защитить здания и сооружения от аварийных ситуаций, связанных с таянием грунтов. Потепления надо опасаться куда менее серьезно, чем техногенных воздействий на мерзлоту.

По мнению эксперта "Фундаментпроекта", важно ответственно подходить к выбору мест под застройку - мерзлота не сплошная, а чередуется с талыми участками. "Обычно на Севере строят сооружения с вентилируемым подпольем на сваях, чтобы сохранить мерзлоту. Если такое здание поставить на талый участок, то сваи начнет выталкивать пучением из грунта из-за промерзания. Бывают случаи, когда строить надо без вентилируемого подполья - с полами по грунту, и тогда тепло идет прямо в грунт. Если строить здание на мерзлоте, то, конечно, возникает опасность, что грунт деформируется в процессе оттаивания и появятся просадки", - рассказал Александр Рязанов.

Специалисты считают, что основные проблемы строительства на Севере - расчет поведения вечно мерзлых грунтов и эксплуатация сооружений. "Меняется тепловой баланс поверхности, где-то происходит растепление вечно мерзлых грунтов, где-то их переохлаждение. Есть примеры масштабной деформации грунтов, например, при добыче нефти. Скважины очень существенно воздействуют на мерзлоту, и в итоге они выходят из строя, возникают аварии", - отметил Рязанов.

Для сохранения мерзлоты существуют специальные установки, замораживающие грунт, которые защищают фундамент от деформации, пояснили ТАСС в "Фундаментпроекте". Также в тундре для строительства применяют насыпи, которые обдуваются ветрами.

В "Заполярной строительной компании" (входит в группу "Норникель") ТАСС рассказали о решениях, которые применяются для строительства в Арктике. "Мы делаем фундаменты с опорой на скальное основание или свайные фундаменты с опорой на вечномерзлые грунты, при этом состояние мерзлоты обязательно сохраняется. Конструкции изготавливаются из стали, устойчивой к низким температурам, и в последнее время для ограждения конструкций предпочтение отдается облегченным сэндвич-панелям, которые сохраняют тепловой контур здания. Для улучшения эксплуатации зданий компания ежегодно ремонтирует значительный объем фондов", - сказал представитель "Заполярной строительной компании".

Новые требования - новые регламенты

Арктические регионы - стратегически важные территории для России, и масштабные проекты требуют новых регламентов в строительства. По предложению Минстроя РФ Минэкономразвития включило в госпрограмму по развитию Арктики проект по созданию обновленных правил для строителей. Эксперты Минстроя говорят о том, что техногенные воздействия коренным образом изменяют тепловое состояние пород Арктической зоны, и это приводит к развитию опасных процессов, которые увеличивают риск деформации или полного разрушения несущих конструкций зданий. Новые регламенты должны быть разработаны к 2020 году, Минстрой готов провести для работы комплекс научных исследований.

"Мы предложили в рамках госпрограммы по развитию Арктики провести ряд научно-исследовательских работ, подготовить базу для разработки нормативно-технической документации. К 2020 году мы должны получить определенные результаты испытаний и начать выпуск документации. Научных кадров сейчас достаточно, они готовы принимать участие в этой работе. Той нормативной базы, которая существует еще с советских времен, явно недостаточно для решения тех серьезных и стратегически важных проектов, которые сейчас уже начинают развиваться в Арктике", - сказала ТАСС заместитель министра строительства РФ Елена Сиэрра.

Как сообщил ТАСС замглавы Минэкономразвития Александр Цыбульский, инициатива Минстроя уже включена в проект госпрограммы по развитию Арктики. "В программе есть целый раздел, посвященный проведению научно-исследовательских работ по организации строительства в условиях вечной мерзлоты", - сказал он.

Подготовительные работы включат в себя изучение мерзлых грунтов. "Мы предлагаем провести исследовательскую работу по изменению температуры грунтов, в первую очередь, в крупных городах арктической зоны. В последние годы происходят изменения климата, что может спровоцировать таяние мерзлоты. Также в регионах нет постоянного мониторинга состояния грунтов, мы предлагаем обеспечить его на постоянной основе для составления карты грунтов, а также возможности прогнозирования ситуации с перспективной на 50 лет", - рассказала Сиэрра.

В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске - другие условия, не такие тяжелые, как у нас

Александр Рязанов

заместитель гендиректора по проектно-изыскательским работам АО "Фундаментпроект"

Минстрой в рамках подготовки регламентов также изучит российский и международный опыт применения строительных материалов в Арктике. "Планируется, что инновационные материалы будут в большинстве своем нашими (российскими - прим. ТАСС) разработками, хотя мы используем и наработки других стран из арктической зоны. У нас уже есть композитная арматура, композитные сваи - этим наши передовые компании занимаются достаточно давно", - отметила Елена Сиэрра.

Александр Рязанов считает, что России достаточно собственного опыта для создания новых технологий и стройматериалов для Арктики - более половины территорий страны занимает мерзлота, и опыт работы здесь составляет десятки лет.

"В плане технологий у других стран России заимствовать нечего. Многие государства не имеют такого опыта работы с мерзлотой, как в России. Плюс в странах Скандинавии, Канаде, на Аляске - другие условия, не такие тяжелые, как у нас", - подчеркнул эксперт.

«– 40 С° — это ещё тепло». Об особенностях строительства в вечной мерзлоте

Якутск — самый крупный город в зоне многолетней мерзлоты. Суровый климат вынуждает местных учёных и архитекторов придумывать нестандартные решения для комфортной и безопасной жизни. Главный архитектор Якутска Ирина Алексеева рассказала Strelka Mag о том, как строить на сваях, использовать национальные узоры в качестве подсветки и развивать общественные пространства при экстремальных температурах.

Ирина Алексеева / фото: Ольга Алексеенко

 

«Кишки наружу» и дома на сваях

В Якутске все дома стоят на глубоко вбитых сваях, чтобы тепло от построек не подтапливало мерзлоту. Решая одну проблему, мы сталкиваемся с другой: как сделать вход в здание доступным, если он поднят на несколько метров от земли? Электрические подъёмники перестают работать на холоде. Пандусы — слишком массивные и тяжёлые, но ставят именно их, потому что при типовом строительстве никто не пытается изобрести новую удобную лестницу.

В Якутске нет ливневой канализации, только наружное водоотведение, потому что под землёй всё замёрзнет. У нас даже есть такое понятие, как «пропарка»: мы пропариваем лотки на улицах, по которым стекает вода, чтобы могли пройти весенние стоки.

А ещё у Якутска, можно сказать, кишки наружу: все коммуникации проходят над землёй. И тонкие, и магистральные трубы под два метра диаметром. Так как это сфера ЖКХ, ни один дизайнер к оформлению труб руку не прикладывал. Сейчас хотя бы появились новые изоляционные материалы, а раньше они обматывались тряпками для утепления.

Коммуникации могли бы однажды стать элементом дизайна. Например, как в Центре Помпиду. Для этого нужно понимание проблемы и видение решения, а также деньги. Пока этим никто не занимается.

Сейчас мы благоустраиваем канал, который пролегает по центру Якутска. Вдоль него проложены магистральные сети, но мы не можем с ними ничего сделать или строить что-то рядом с ними, потому что это охранная зона. Под этим предлогом в этом месте даже мусор не убирают. Но ведь это часть инфраструктуры — там даже дети играют.

Некоторые изгибы труб, в местах, где они проходят по общественным пространствам, мы закрыли декоративными панелями. Было предложение сделать на трубах смотровые площадки, но сетевики сказали, что это небезопасно.

Задача якутских архитекторов в том, чтобы связать все эти, казалось бы, случайные элементы в инфраструктуре города.

 

Слишком холодно для машин

Зимой машины у нас практически не ездят: оставить автомобиль на улице невозможно, иначе уже через полчаса его придётся размораживать. Кто-то использует утеплённые чехлы, но они работают только при – 30 °C, ниже уже бесполезно. Некоторые просто не выключают двигатели. Самое логичное — заморозить автомобиль и пересесть в такси: это выгоднее, чем тратить бензин на прогрев своей машины.

Из-за вечной мерзлоты у нас нет подземных парковок. Это большая проблема, так как для наземных места мало. Поэтому мы рекомендуем застройщикам надземные решения, которые и прорабатываем.

Многоквартирный жилой дом с тёплой автостоянкой по ул. Пирогова, 9А в квартале 48 г. Якутска

Стилобат с теплой парковкой увеличивает стоимость строительства, но позволяет компактно хранить автомобили

Например, уже построен первый дом с многоуровневым стилобатом: первый уровень — открытый, второй уровень — тёплые парковки, третий — нежилые помещения. А выше уже идут квартиры. Для жителей такая конструкция удобна: можно сразу спуститься на парковку. Даже, например, домостроительные комбинаты, которые возводят типовое жильё, внесли в последний проект стилобат с парковкой, хотя это и увеличивает стоимость строительства.

 

Строительство на экспериментальном уровне

Якутск — единственный столь крупный город, построенный на вечной мерзлоте. Есть города меньшего размера или с более мягкими условиями. В Канаде, например, тоже есть мерзлота, но там другие климат и грунты, и её влияние не такое, как у нас.

Решением инженерных задач занимаются наши учёные. Всё на экспериментальном уровне. При этом мы часто торопимся построить что-то, потому что бывает так, что денег на научное обоснование нет. Всё на уровне эксперимента и русского авось.

Из-за оттайки грунтов сейчас все основания фундаментов в сложном состоянии. Как двигаться дальше, если из-за климата большой процент износа? Надо развивать науку, делать усиление фундаментов, вкладываться во всё это. В контексте такого климата сложно планировать дальнейшее развитие города. На нас, архитекторах, большая ответственность.

 

Гулять, пока не стукнет – 40 °C

Как ни удивительно, но зимой общественные пространства используются очень активно. В Якутске люди отдыхают на площадях вплоть до минус сорока — пока тепло. Полно лыжников, бегунов и фанатов скандинавской ходьбы.

В ноябре ставим ледовые фигуры, начинаются фестивали. В декабре приходят морозы и густой туман, который не сходит два месяца. Потом где-то месяц в январе надо переждать 50-градусные морозы. И в феврале приходит тепло, появляется солнце, люди снова выходят отдыхать на площади и на замёрзшие протоки.

А ещё бывают актированные дни: когда температура ниже 45–47 °C. Тогда дети не ходят в школу и на радостях высыпают на улицу.

На пощади «Ворота Якутска» появится инсталляция из медных трубок в виде острога, исторически расположенного на этом месте

Мы делаем новую площадь — «Ворота Якутска». В 2012 году молодой архитектор Геннадий Попов выиграл премию Татлина за Башню Тыгына — инсталляцию в виде острога из латунных труб с подсветкой. Мы доработали проект арт-объекта, так что башня появится в городе вместе с новой площадью, детскими площадками, скейт-парком и местами для павильонов. Мы возводим «Ворота Якутска» возле аэропорта, так что это будет общественное пространство для встречи гостей, ярмарок выходного дня и праздников. Напротив строится центр современного искусства.

 

Национальная архитектура и хрущёвки

Нам говорят, что в городе нет уникальности и национальной архитектуры. Дело в том, что авторская архитектура и первые нетиповые объекты в Якутске появились лишь на рубеже двухтысячных: «Саха-театр», например. Раньше были только хрущёвки и сталинки.

В городе активное сообщество краеведов, с которыми мы плотно сотрудничаем. У нас есть восстановленный исторический квартал «Старый город». Архитекторы критиковали его за то, что там нет настоящей старины — всё новодел. Но есть ещё одно уникальное место, где сохранились замечательные объекты деревянного зодчества XIX века. Мы хотим сделать там историко-архитектурный комплекс. Всё осложняет то, что территория находится в частной собственности, и город должен её выкупать. И, конечно, собственник может заломить любую цену.

Многоквартирный жилой дом в квартале 94

В новых микрорайонах застройщики показывают новое качество городской среды. Появилась тенденция: застройщики делают подсветку в виде национальных узоров на глухих торцах домов. Это хорошая инициатива, потому что любой такой торец рискует быть завешенным каким-нибудь баннером. Даже обычные унылые дома получаются со своей айдентикой и каким-то смыслом.

 

Поиск идей в других городах

В Якутске не так много архитекторов, но мы стараемся перенимать тенденции и прокачивать профессиональное сообщество, не только архитектурное.

Мы придумали практикум, в котором участвуют реальные заказчики, проектировщики и подрядчики. Они собираются в команды — как в реальной практике, — и мы вывозим их в разные города, чтобы перенять опыт. Цель практикума — разработать техническое задание на новый проект. Первый практикум мы провели в феврале в Сеуле и умном городе Сонгдо — мощном мегаполисе, где очень много интересных парков, набережных. Потом мы поехали туда снова в апреле, взяв с собой представителей ЖКХ. В этот раз мы приехали в Москву, а потом планируем съездить в Татарстан посмотреть более бюджетные варианты.

Двор по ул. Каландарашвили

Двор по ул. Каландарашвили

Двор по ул. Каландарашвили

Мы стараемся менять подходы к строительству, начали делать интересные дворы и новые общественные пространства. У нас богатая культура, и я хочу, чтобы наши дизайнеры и архитекторы нашли что-то своё в малых архитектурных формах и городском дизайне.

Строительство в вечной мерзлоте: опыт и инновации

Вечная мерзлота занимает две трети территории России и часто называется стратегическим ресурсом, ее топливно-энергетической базой. Есть предприятия, шахты и шахты. Строятся дороги, порты и аэродромы. Там, где строительство одного здания можно было бы назвать подвигом, есть города.

Мы обсуждаем технологии строительства на северных территориях, особенности арктических построек и роль энергоэффективных технологий для таких климатических условий с Рашидом Назировым, первым заместителем проректора по международным связям Сибирского федерального университета и Рашидом Назировым. Юрий Гончаров, ДЭнг, профессор, консультант Российской академии архитектуры и строительных наук и профессор кафедры гражданской архитектуры, оба активно участвовали в строительстве недвижимости за Полярным кругом.

Город на дальней стороне света

- Рашид Юрий, не могли бы вы обозначить конкретные принципы строительства в условиях Крайнего Севера?

Р.Н .: Особых различий в технологиях строительства нет, но есть особенности. Все общие концепции конструкции основаны на фундаментальных законах физики. Во-первых, необходимо обеспечить устойчивую теплоизоляцию, то есть применение взвешенных структурных схем зданий, отсутствие тепловых байпасов, использование эффективных материалов и энергосберегающих технологий.И, конечно же, к подвалам предъявляются особые требования.

Ю.Г .: На ледяном панцире сложно что-то построить, да еще с изменяемой конструкцией. Поведение рыхлого гравия, глин и гальки в вечной мерзлоте непредсказуемо. Конструкции нагревают землю, на которой они построены, отсюда таяние и неизбежные осадки. Были случаи сноса построек в Чите, некоторые участки Балтийско-Амурской магистрали известны как неустойчивые.В Канаде два небольших городка, построенные во время Второй мировой войны, остались заброшенными, когда из-за вечной мерзлоты здания вышли из-под земли. Так что строительство в вечной мерзлоте возможно, только с учетом специальных мер по поддержанию постоянной температуры грунта.

Красноярск, Россия

- Что вы думаете о свайных конструкциях?

Р.Н .: Это один из способов. На Севере мы используем два метода строительства: свайно-опорный, который создает пространство между землей и подвалом для беспрепятственной вентиляции, и непосредственно на месте.Последний требует прочной теплоизоляции, чтобы земля оставалась в естественном состоянии.

Ю.Г .: На сегодняшний день передовая научная практика позволяет возводить здания в любых условиях. Есть много видов свай, например, буронабивные, разработанные специалистами из Красноярска. Благодаря этой технологии специальная шнековая установка просверливает отверстие в вечной мерзлоте, после чего внутрь закладывается армированный каркас, который затем бетонируется. Сейчас в промышленности используются современные бетонные смеси, которые при бетонировании не обмерзают.Раньше для установки свай грунт нужно было оттаивать месяцами пропариванием, бурение ускорило этот процесс.

Буронабивные сваи фундамента

- Кто первым применил свайные методы строительства на Севере? А когда это случилось?

Ю.Г .: В Якутии деревянные дома строятся на деревянных чугунках десятилетиями и более. А вот реализация конструкций крупнопанельных конструкций свайным методом относится к 60-м годам ХХ века.Одним из авторов метода был инженер Майкл Ким, бывший узник лагеря НорилГулаг, он изучал характеристики вечной мерзлоты в 30-е годы.

Строительство будущего города Норильска началось на каменистых грунтах, где не требовалось специальных фундаментов. В конце 30-х годов конструкторское бюро было сформировано из ссыльных архитекторов и инженеров. Никто не имел опыта строительства в условиях Крайнего Севера. В 60-е годы благодаря Майклу Киму, предложившему свайный метод, жилищное строительство в Норильске получило широкое распространение.В 1966 году десять архитекторов и строителей, в том числе Ким, были удостоены Ленинской премии, одной из высших наград СССР, «за разработку и внедрение принципиально новых методов промышленного строительства в условиях Крайнего Севера». Теперь их именем названа одна из улиц.

- Как вы работаете с инженерными коммуникациями в вечной мерзлоте?

Ю.Г .: В небольшом северном поселении линии прокладываются по поверхности, опираясь на сваи.Коммуникации в Норильске проложены на глубине 6 метров, в три раза глубже, чем в Красноярске. Канализационные коллекторы расположены на расстоянии, чтобы защитить землю под зданием от отопления. Если инженерные коммуникации проходят под дорогой, эту дорогу следует особенно тщательно очищать от снега, чтобы ветер мог охладить землю.

Строительство г. Норильск, 80-е годы

- Кстати, о сильных ветрах в Норильске, можно ли бороться с ними градостроительными методами?

г.G .: Сильный ветер и частые метели - постоянный северный вызов, с которым все время сталкиваются проектировщики и строители. Погодные условия на Таймыре и в Норильске очень суровые. Скорость ветра 1 м / с понижает температуру человеческого восприятия на 2 градуса холоднее. Например, -40 C при ветре 18 м / с кажется почти -80 C! Только климат Антарктики превосходит местный климат. Кварталы в Норильске построены по схеме, чтобы максимально защитить здания и людей от ветра.Проходы между ними узкие для той же цели. Фасады и крыши здесь обычно простые, чтобы не было заносов.

- Какие научные учреждения вели строительство на Крайнем Севере?

Ю.Г .: Строительство такого масштаба требовало постоянной научной поддержки. В 1957 году была создана Комплексная научно-исследовательская станция Якутии для проведения исследовательских работ по строительству в условиях вечной мерзлоты.Также была создана специальная лаборатория по разработке техники строительных материалов. В 1962 году они объединились и стали Якутским отделением Красноярского НИИ строительства Архитектурно-строительной академии СССР. Я возглавлял его несколько лет назад. Сейчас институт известен как ПромстройНИИпроект, и его научные разработки по-прежнему востребованы.

Р.Н .: К сожалению, вынужден признать, что сегодня мы утратили традицию, передаваемую из поколения в поколение.Лишь немногие сейчас знают правильные техники. Строительные организации сейчас работают по регламенту, разработанному в советское время. Никаких новых научных исследований в данной области не ведется, а иногда проект разрабатывают организации, которые имеют весьма смутные представления об объекте.

- Что вы можете сказать о темпах строительства на Севере в настоящее время? Многие уезжают из региона…

R.N .: В связи с продолжением разработки новых залежей и нефтяных месторождений в этом районе, динамика строительства всегда будет расти.Вроде Ванкорское месторождение способствует развитию Игарки. Это факт: за последние 1,5 года пассажиропоток в этом городе вырос в три раза. В Нижнем Приангарье есть проекты, которые помогают развитию Богучан. Это положительные факторы.

Строительство Байкало-Амурской магистрали

Ориентир

- Все крупные промышленные проекты связаны с энергетикой, по крайней мере, на Севере. Недавно был опубликован Закон об энергосбережении и энергоэффективности.Что это означает в общем смысле?

Р.Н .: Это связано с энергетическим кризисом 70-х годов, исходя из цен на масла. В США, например, вопрос энергоэффективности является приоритетным на уровне национальной безопасности. Несмотря на любые меры экономии, потребление энергии в секторе недвижимости ежегодно растет на 1,5-2%. Западные статистические исследования дают результаты, согласно которым ГЭС и АЭС останутся на одном уровне, а ресурсы нефтяной отрасли будут использоваться меньше.

- У нас есть такая статистика по России?

Р.Н .: Должны быть, но они еще не опубликованы. Разработка программ по энергоэффективности осуществляется на трех уровнях: федеральном, региональном и общественном. С начала 2010 года Закон вступил в силу, и у региональных властей был один год, чтобы обеспечить свои территории необходимым оборудованием для измерения потребления энергии.

Предприятия обязаны принимать дополнительные меры для лучшей теплоизоляции здания и рекуперации тепла.Государство сделало ориентир. Наш университет снизил потребление энергии на 3% за один год, а через 5 лет - на 15%. Конечно, соответственно уменьшится и федеральное финансирование электроснабжения. При проведении тендера на поставку продукции и услуг следует учитывать их энергоэффективность.

- Анализ климатических параметров населенных пунктов региона показывает, что Красноярск является самым благоприятным городом с точки зрения тепловой защиты, а значит, здесь стоимость строительства теплого дома ниже, чем в других.

Якутия, трубопровод

- Что такое энергоэффективные технологии?

Р.Н .: В первую очередь, автоматизированное регулирование температурного режима зданий и внедрение альтернативных, в том числе возобновляемых, источников энергии (солнечные батареи и др.). Многие общественные здания позволяют сократить энергоснабжение в ночное время. Во-вторых, практика нового технического регламента по освещению, который требует отказа от использования ламп накаливания, позволяет снизить энергозатраты на освещение на 40%.В-третьих, это рекуперация тепла. Мы зря тратим мое тепло, когда заливаем горячую воду прямо в канализацию. По строительным нормам воздухообмен в час у нас такой же, как отопление зимой от -40С до + 21С. При больших размерах здания объем тепла становится активом, который можно использовать в качестве тепловой энергии. При реализации всего изложенного в Законе возможно снижение энергопотребления в ближайшие 5 лет с 15% до 40%.

Обосновано Севером

- Какие конкретно мероприятия по повышению энергоэффективности в регионах Крайнего Севера?

р.N .: Все вышесказанное относится и к северным районам. Поскольку Север потребляет больше энергии, эта деятельность здесь очень важна. Расчетная температура при планировке домов в Москве -28, в Красноярске -40С и это не самая северная мера для строительства, в Богучарбах -46, в Игарке -49С, в Эвенкии -55С. Это измерение основывается на средней температуре, основанной на 5 самых холодных днях в данной местности. Также различается период отопительного сезона, когда в Москве количество отопительных градусо-дней обычно составляет 4943, в Красноярске - 6575, в поселке Ессей - 11532.

- Как там экономить электроэнергию?

Р.Н .: Только с помощью новых технологий это возможно. Развивая новые отрасли, нам необходимо финансировать новые исследования и новые методы энергосбережения. Не нужно стесняться адаптировать зарубежные технологии. В настоящее время ПромстройНИИпроект разрабатывает новую концепцию «Сибирской застройки». Реализуемый проект должен способствовать дальнейшему развитию энергосберегающих технологий.

- Как вы думаете, стоит ли жить на Севере? Разрабатывать минеральные ресурсы вахтовым методом проще, не правда ли?

Ю.Г .: Я считаю, что на Севере можно жить. А к морозу можно быстро адаптироваться. В 1959 году я приехал с юга, из Дагестана, и оставался там на десятилетия. Сначала моя семья жила в Норильске в бараке (сарае) с удобствами на улице, затем 11 лет мы жили в доме со строгими удобствами.Но Север делает людей сильнее, и в этом есть свои преимущества.

Р.Н .: Нам нужно использовать наш уникальный опыт строительства на Крайнем Севере. Университет может предложить комплексные решения для многих проблем Полярного круга, делая жизнь более комфортной. Север Сибири содержит полезные ископаемые, необходимые человечеству. Глубокое исследование территории неизбежно, и мы должны быть к этому готовы.

.

Проектирование вечной мерзлоты - Основания вечной мерзлоты

Герасимов А.А. - доктор технических наук. Санкт-Петербург.

  • Осадимость и несущая способность мерзлого грунта
  • Фундаменты для холодных регионов
  • Фундаменты на морозостойком грунте
  • Фундаменты на оттаивающем грунте
  • Фундаменты мелкого заложения
  • Свайные фундаменты в мерзлых и талых грунтах
  • Проектирование фундаментов для холодных регионов
  • Строительство фундаментов на мерзлых грунтах
  • Тепловой режим мерзлого грунта
  • Проектирование фундаментов в вечной мерзлоте
  • Поведение системы «фундамент - конструкция»
  • Влияние глобального потепления
  • Надежность фундаментов в холодных регионах

Механика мерзлого грунта

Механика льда

Реология мерзлого грунта

свойства мерзлого грунта
  • Лабораторные и полевые исследования мерзлого грунта
  • Упругость мерзлого грунта
  • Реологические свойства грунта
  • Ползучесть мерзлых грунтов
  • Долгосрочная ул.
  • .

    Завкафедрой производство стройматериалов СВФУ Алексей Местников о том, как построить в вечной мерзлоте без теплоизоляции

    Купить деревянный дом в 2018 году будет выгоднее - подписано постановление правительства РФ о субсидировании ставки по кредитам на покупку деревянных дома фабрика изготовления. Алексей Местников, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой производства строительных материалов, изделий и конструкций Инженерно-технического института СВФУ, рассказал о состоянии жилищного строительства на Дальнем Востоке, новых материалах и методах строительства. EastRussia.

    - Деревянные дома на даче продадут дешевле. Как это отразится на строительном рынке?

    - Я уверен, что благодаря принятой госпрограмме акцент в индивидуальном малоэтажном строительстве сместится на строительство деревянных домов. Уже давно нужен новый подход к деревянному домостроению, так как строительные нормы в этой сфере устарели. В частности, строительство деревянных домов на даче застопорилось из-за того, что дерево - горючий материал, а значит, высок риск возникновения пожаров: такой дом было труднее застраховать на большую сумму, банки сделали Ипотеку на нее не дают, субсидию тоже.С появлением материалов со специальной противопожарной обработкой и изменением строительных норм ситуация с домостроением меняется.

    Сейчас все внимание рынка обращено на заводское изготовление - это комплектный дом или, проще говоря, готовый дом. Жилье из дерева можно купить с теми же преимуществами, что и при покупке квартиры: здесь вам и ипотека под низкие проценты, и сам дом можно хорошо застраховать.

    - Каковы основные проблемы при строительстве частных домов в Якутии?

    - На мой взгляд, проблема вентиляции и кондиционирования стоит очень остро.Мы столкнулись с этим при строительстве новых домов из ячеистого бетона. Раньше частники строили некачественные деревянные дома, которые везде хорошо вентилируются - и так оказалось, что трудности кондиционирования им были неизвестны. У нас при появлении герметичных энергоэффективных домов сразу всплыла проблема: в зданиях образовался конденсат, воздух стал затхлым и влажным. В этой системе должна быть не только продувка вентиляции, но и забор воздуха, чего мы не предусмотрели.

    Одно время я был в Швейцарии - мне сказали, что у них нет проблем со строительством и производством стройматериалов. Вся строительная наука в них направлена ​​на улучшение вентиляции и кондиционирования воздуха практически в каждом здании в стране. В Якутии эта проблема не обошла стороной даже большие здания.

    Конечно, одно дело - Швейцария с ее мягким климатом, и совсем другое - суровая Якутия, где зимой огромный перепад температур: дома 22-24 градуса по Цельсию, а на улице -50 и ниже.За счет этого образуется конденсат. Представьте: в дом нужен свежий воздух, а поднять его можно только с улицы, где -50. В результате на стенах образуется наледь, протекание и так далее. Нам нужно найти способ обойти это препятствие - это целое научное направление, его нужно изучать.

    - С какими ошибками сталкиваются люди, когда начинают строить собственный дом?

    - Люди не хотят больших вложений в строительство своего дома на начальном этапе, особенно если это что-то новое, нестандартное.Так везде. Возможно, это русский менталитет. Например, чтобы провести нормальную вентиляцию, нужно вложить не менее 150-200 тысяч рублей - мало кто соглашается. Россиянам пора понять, что строительство качественного дома - это бизнес, требующий больших вложений, на нем лучше не экономить. Экономия на строительстве в результате обернется кучей трат - потом заплатите, это переделка.

    По этой же причине люди, которые строят дом в Якутии, экономят на фундаменте.Ставят простые, не подходящие для наших условий. А от фундамента зависит долговечность постройки.

    Всем известно, что из-за вечной мерзлоты каменные дома в республике сваливаются на сваи. Если обратить внимание на большие дома в Якутске, то можно заметить, что на первых этажах никто не живет: там либо магазины, либо рабочие кабинеты. Все дело в холодных полах. Какую термоизоляцию не делать - не поможет, ведь температура внизу -50 градусов и ниже.

    Мы работали над новым типом фундамента, который был бы и качественным в условиях вечной мерзлоты, и простым в установке: чтобы человек мог засыпать его сам, не заказывая буровую установку. Это все в земле.

    На наш взгляд, птичник не должен стоять высоко на куриных ножках - его нужно ставить на землю. Итак, обычно при установке фундамента используется один из двух методов: первый - сохранение вечной мерзлоты при эксплуатации, второй - с учетом глубины протаивания.Объединяем оба варианта. Итак, с помощью теплового баланса земли обеспечивается режим «тёплого пола», так как почва обладает определенной теплоемкостью. Проблема в том, что тепло тоже уходит из дома, из-за чего происходит разморозка, которая с годами только усиливается. Чтобы этого не произошло, мы используем метод закрепления разморозки на небольшой глубине, чтобы она оставалась на одном уровне, с помощью термоизолированных свай небольшой глубины с уширенной опорой. Несущая часть свай находится в зоне промерзания.Как показал опыт строительства экспериментальных домов, максимальная вырубка земли при установке такого фундамента составила всего 2,5 метра, и это в сентябре. Один человек может вручную просверлить отверстие таким способом всего за 45 минут, а на мотобусе - за 10-15 минут.

    - Расскажите об использовании местного сырья, ячеистых материалов, о которых вы упомянули.

    - Из ячеистого бетона мы строим дома без теплоизоляции, потому что сам материал является теплоизоляционным и конструкционным.Поэтому мы берем его за основу - буквально говоря, это однослойная стена. Нет несущего слоя, слоя теплоизоляции и отделки, как в современных домах. Кроме того, исследования показали, что этот материал пожаробезопасен. Используя в производстве ячеистого бетона, наше малое инновационное предприятие СВФУ «Стройкомпозит» с 2010 года построило два 9-этажных корпуса в Якутске для сотрудников университета, два десятка энергоэффективных индивидуальных домов в столице республики и городе Олекминск.

    Основа любого ячеистого материала - песок. Есть два способа сделать это: поскольку материал пористый, он создается путем выделения газа или вспенивания. Мы используем второй, потому что он проще - пенобетон можно производить где угодно. Вы можете производить как неавтоклавный ячеистый бетон на основе цемента, так и автоклав на основе извести. По качеству прочности первые хуже - им нужно увеличивать плотность. А если это сделать, то получается такой же конструкционный материал, требующий дополнительной теплоизоляции.У автоклавных материалов прочностные характеристики при малых плотностях достаточно высокие, например, для такой же конструкции двухэтажного дома без каркаса.

    К сожалению, производство автоклавов организовано не всегда: обязательно должны быть газ и электричество, так как используется высокое давление.

    Чтобы решить проблему строительства на земле, сейчас пытаюсь заинтересовать правительство республики и администрации области в организации производства гранулированного пеностекла.Если сравнивать с другими теплоизоляционными материалами, пеностекло практически вне конкуренции за счет сочетания высокой теплоизоляции, абсолютной негорючести и водостойкости. Сам материал прочный и экологически чистый.

    Дело в том, что на его основе на месте можно изготавливать легкие бетонные блоки со свойствами, присущими автоклавному ячеистому бетону - это решило бы производственную задачу на местах: главное, чтобы под рукой был пористый заполнитель из гранулированного пеностекла, цемента и смесительной установки.В случае одобрения проекта мы рассматриваем возможность организации производства гранулированного пеностекла из цеолитсодержащих пород месторождения Хонгюруу в Якутии. Выбор цеолита обусловлен наличием и огромным запасом природного сырья, низкой энергоемкостью его обработки из-за «мягкости» исходной породы.

    .

    Вечная мерзлота | геология | Британника

    Вечная мерзлота , многолетняя мерзлота, природный материал с температурой ниже 0 ° C (32 ° F) непрерывно в течение двух или более лет. Такой слой мерзлого грунта обозначается исключительно исходя из температуры. Часть или вся его влага может быть разморожена, в зависимости от химического состава воды или снижения точки замерзания капиллярными силами. Например, вечная мерзлота с засоленной почвенной влажностью может быть ниже 0 ° C в течение нескольких лет, но не содержит льда и, следовательно, не может быть прочно зацементирована.Однако большая часть вечной мерзлоты укреплена льдом.

    Вечная мерзлота без воды и, следовательно, без льда, называется сухой вечной мерзлотой. Верхняя поверхность вечной мерзлоты называется столбом вечной мерзлоты. В районах вечной мерзлоты поверхностный слой почвы, который промерзает зимой (сезонно промерзшая земля) и оттаивает летом, называется активным слоем. Толщина активного слоя в основном зависит от содержания влаги и варьируется от толщины менее фута во влажных органических отложениях до нескольких футов в хорошо дренированном гравии.

    Вечная мерзлота образуется и существует в климате, где средняя годовая температура воздуха составляет 0 ° C или ниже. Такой климат обычно характеризуется продолжительной холодной малоснежной зимой и коротким относительно сухим прохладным летом. Таким образом, вечная мерзлота широко распространена в Арктике, субарктике и Антарктиде. По оценкам, он составляет 20 процентов поверхности суши в мире.

    Зоны вечной мерзлоты

    Вечная мерзлота широко распространена в северной части Северного полушария, где она встречается на 85% территории Аляски, 55% территории России и Канады и, вероятно, на всей территории Антарктиды.Вечная мерзлота распространена шире и на севере простирается на большую глубину, чем на юге. Его толщина составляет 1500 метров (5000 футов) на севере Сибири, 740 метров - на севере Аляски и постепенно уменьшается к югу.

    Сэкономьте 50% на подписке Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сегодня

    Большую часть вечной мерзлоты можно разделить на две широкие зоны; непрерывный и прерывистый, относящийся к боковой непрерывности вечной мерзлоты. В сплошной зоне крайнего севера вечная мерзлота присутствует почти везде, кроме не промерзающих до дна озер и рек.Прерывистая зона включает многочисленные участки, свободные от вечной мерзлоты, которые постепенно увеличиваются в размерах и количестве с севера на юг. Рядом с южной границей обнаружены лишь редкие участки вечной мерзлоты.

    В дополнение к тому, что вечная мерзлота широко распространена в арктических и субарктических районах Земли, вечная мерзлота существует также в более низких широтах и ​​в высокогорных районах. Этот вид многолетней мерзлоты называют альпийской вечной мерзлотой. Хотя данных с высоких плато и гор мало, измерения, проведенные ниже активного поверхностного слоя, указывают на зоны, где температура 0 ° C или ниже сохраняется в течение двух или более лет.Самая большая площадь альпийской вечной мерзлоты находится в западном Китае, где, как известно, существует 1 500 000 квадратных километров (580 000 квадратных миль) вечной мерзлоты. В прилегающих к США территориях вечная мерзлота в Альпах ограничена примерно 100 000 квадратных километров в высоких горах на западе. Вечная мерзлота встречается на высоте всего 2500 метров в северных штатах и ​​примерно на 3500 метров в Аризоне.

    Уникальное явление вечной мерзлоты - не имеющее аналогов на суше - находится под Северным Ледовитым океаном, на северных континентальных шельфах Северной Америки и Евразии.Это известно как подводная или морская вечная мерзлота.

    Изучение вечной мерзлоты

    Хотя существование вечной мерзлоты было известно жителям Сибири на протяжении веков, ученые западного мира не принимали всерьез отдельные сообщения о большой толщине мерзлого грунта, существующей под северными лесами и лугами до 1836 года. Затем Александр Теодор фон Миддендорф измерил температуры на глубине около 100 метров вечной мерзлоты в Шаргинском валу, неудачном колодце, вырытом для губернатора Российско-Аляскинской торговой компании, в Якутске, и подсчитал, что толщина вечной мерзлоты была 215 метров.С конца 19 века российские ученые и инженеры активно изучали вечную мерзлоту и применяли результаты своих исследований при освоении севера России.

    Точно так же старатели и исследователи знали о вечной мерзлоте в северных регионах Северной Америки в течение многих лет, но только после Второй мировой войны ученые и инженеры в Соединенных Штатах начали систематические исследования вечномерзлых грунтов. и Канада. С тех пор, как в 1970-х годах началась серьезная эксплуатация огромных запасов нефти на северных континентальных шельфах, исследования подводной вечной мерзлоты продвигались даже быстрее, чем исследования вечной мерзлоты на суше.

    Исследования вечной мерзлоты в Альпах начались с изучения каменных ледников в Альпах Швейцарии. Хотя было известно, что лед существует в каменных ледниках, только после Второй мировой войны исследования геофизическими методами четко продемонстрировали медленное движение многолетнего льда, то есть вечной мерзлоты. В 1970-х и 1980-х годах в России, Китае и Скандинавии начались детальные геофизические работы, температура и исследование скважин вечной мерзлоты в горах, особенно в отношении строительства в высокогорных районах и на плато.

    Происхождение и устойчивость вечной мерзлоты

    Температура воздуха и температура земли

    В районах, где средняя годовая температура воздуха становится ниже 0 ° C, часть земли, промерзшей зимой, летом не оттаивает полностью; таким образом, слой вечной мерзлоты будет формироваться и каждый год будет постепенно расти вниз из сезонно мерзлого грунта. Слой вечной мерзлоты будет становиться толще каждую зиму, и его толщина будет определяться тепловым балансом между тепловым потоком из недр Земли и потоком тепла наружу в атмосферу.Этот баланс зависит от средней годовой температуры воздуха и геотермического градиента. Средний геотермический градиент увеличивается на 1 ° C (1,8 ° F) на каждые 30-60 метров глубины. В конце концов, сгущающийся слой вечной мерзлоты достигает равновесной глубины, на которой количество геотермального тепла, достигающего вечной мерзлоты, в среднем равно тому, которое теряется в атмосферу. Требуются тысячи лет, чтобы достичь состояния равновесия, при котором толщина вечной мерзлоты составляет сотни футов.

    Годовые колебания температуры воздуха от зимы к лету слабо отражаются в верхних нескольких метрах земли.Это колебание быстро уменьшается с глубиной, составляя всего несколько градусов на высоте 7,5 метров и едва заметное на расстоянии 15 метров. Уровень нулевой амплитуды, при котором колебания практически не обнаруживаются, составляет от 9 до 15 метров. Если вечная мерзлота находится в тепловом равновесии, температура на уровне нулевой амплитуды обычно рассматривается как минимальная температура вечной мерзлоты. Ниже этой глубины температура постоянно увеличивается под воздействием тепла из недр Земли. Температура вечной мерзлоты на глубине минимального годового сезонного изменения колеблется от около 0 ° C на южной границе вечной мерзлоты до -10 ° C (14 ° F) на севере Аляски и -13 ° C (9 ° F) на северо-востоке Сибири. .

    По мере того, как климат становится холоднее или теплее, но при сохранении среднегодовой температуры ниже 0 ° C, температура вечной мерзлоты соответственно повышается или понижается, что приводит к изменению положения основания вечной мерзлоты. Положение кровли вечной мерзлоты будет понижено из-за таяния, когда климат станет теплее до средней годовой температуры воздуха выше 0 ° C. Скорость изменения основания или кровли вечной мерзлоты зависит не только от количества климатических колебаний, но также от количества льда в грунте и состава грунта, условий, которые частично контролируют геотермический градиент.Если известен геотермический градиент и если температура поверхности остается стабильной в течение длительного периода времени, то, следовательно, можно прогнозировать, зная среднегодовую температуру воздуха, толщину вечной мерзлоты в конкретной области, удаленной от тел. воды.

    .

    Предупреждение об «обрушении» зданий в городах вечной мерзлоты Сибири в ближайшие 35 лет

    «Несущая способность» ранее твердого грунта ослабевает, и как жилые, так и промышленные сооружения всех видов сталкиваются с «обрушением». Фото: krestalex.ru

    Новое крупное академическое исследование предупредило о риске для зданий в городских районах в зоне вечной мерзлоты России, вызванном изменением климата. Согласно российско-американскому анализу, наихудший сценарий может привести к «снижению несущей способности всей вечной мерзлоты к 2050 году на 75-95%».

    Авторы заключают: «Это может иметь разрушительные последствия для городов, построенных на вечной мерзлоте». Таяние вечной мерзлоты «потенциально может привести к деформации и разрушению конструкций».

    В ходе исследования были подробно изучены четыре сибирских города и все они находятся на 63% территории России, покрытой вечной мерзлотой.

    В ходе исследования были изучены четыре сибирских города: Салехард, Норильск, Якутск и Анадырь. Картина: The Siberian Times

    Эти местоположения были иллюстративными - и потенциальная угроза для зданий распространяется на города по всему региону, потому что «несущая способность» до сих пор твердого грунта ослабевает, и как жилые, так и промышленные сооружения всех видов «рушатся».

    'В среднем самые быстрые изменения ожидаются в Салехарде и Анадыре. Здесь несущая способность может снизиться до критического уровня к середине 2020-х годов.

    «В Якутске и Норильске критическое снижение несущей способности, вызванное климатом, ожидается примерно в 2040-х годах».





    Обрушение угла дома в центре Якутска в 1999 году, на фото Михаил Григорьев. Трещины в зданиях в центре Якутска, обнаруженные в 2015-2016 годах на фото The Siberian Times и Corvair

    Ученые, работа которых финансировалась Российским научным фондом и Национальным научным фондом США, подчеркивают, что «высокая неопределенность» в «климатических прогнозах» не позволяет делать окончательные выводы, и предлагают шесть различных сценариев скорости изменений.

    Тем не менее, они подчеркнули, что новые методы строительства должны учитывать изменения вечной мерзлоты под городами.

    «Наш анализ показывает, что вызванные климатом изменения вечной мерзлоты могут потенциально подорвать структурную устойчивость фундаментов, что указывает на очевидную необходимость принятия строительных норм и правил для регионов вечной мерзлоты, которые учитывают прогнозируемые изменения климата».



    Салехард, столица Ямала, может столкнуться с серьезными проблемами в середине 2020-х годов. Фотографии: The Siberian Times

    Многочисленные исследования показывают, что темпы потепления российской Арктики составляют примерно 0.12C в год - «значительно быстрее, чем в среднем в мире», утверждают авторы. Согласно более «консервативным» прогнозам, «несущая способность» все равно снизится менее чем на 25%.

    «Такое изменение не должно существенно повлиять на хорошо спроектированные конструкции», - говорится в исследовании, подразумевая, что менее качественные конструкции будут подорваны.





    Под яркими красками Анадырь скрывает трещины и пятна.Фотографии: yo.ru, Евгений Басов

    «Изменение климата и стабильность городской инфраструктуры в регионах вечной мерзлоты России ...» был написан Николаем I Шикломановым, Дмитрием А. Стрелецким, Тимоти Б. Свалесом (все они связаны с Университетом Джорджа Вашингтона) и Василием Кокоревом, аффилированным с государством. Гидрологический институт, Санкт-Петербург. Д. А. Стрелецкий также является аффилированным лицом Тюменского института криосферы Земли Сибирского отделения Российской академии наук, а Н. И. Шикломанов также является сотрудником Тюменского государственного нефтегазового университета.

    Исследование было опубликовано в журнале "Географическое обозрение" Американского географического общества Нью-Йорка , 4 октября 2016 г.

    «В Норильске критическое снижение несущей способности, вызванное климатом, ожидается примерно в 2040-х годах». Фотографии: The Siberian Times



    .

    Вечная мерзлота | геология | Британника

    Вечная мерзлота , многолетняя мерзлота, природный материал с температурой ниже 0 ° C (32 ° F) непрерывно в течение двух или более лет. Такой слой мерзлого грунта обозначается исключительно исходя из температуры. Часть или вся его влага может быть разморожена, в зависимости от химического состава воды или снижения точки замерзания капиллярными силами. Например, вечная мерзлота с засоленной почвенной влажностью может быть ниже 0 ° C в течение нескольких лет, но не содержит льда и, следовательно, не может быть прочно зацементирована.Однако большая часть вечной мерзлоты укреплена льдом.

    Вечная мерзлота без воды и, следовательно, без льда, называется сухой вечной мерзлотой. Верхняя поверхность вечной мерзлоты называется столбом вечной мерзлоты. В районах вечной мерзлоты поверхностный слой почвы, который промерзает зимой (сезонно промерзшая земля) и оттаивает летом, называется активным слоем. Толщина активного слоя в основном зависит от содержания влаги и варьируется от толщины менее фута во влажных органических отложениях до нескольких футов в хорошо дренированном гравии.

    Вечная мерзлота образуется и существует в климате, где средняя годовая температура воздуха составляет 0 ° C или ниже. Такой климат обычно характеризуется продолжительной холодной малоснежной зимой и коротким относительно сухим прохладным летом. Таким образом, вечная мерзлота широко распространена в Арктике, субарктике и Антарктиде. По оценкам, он составляет 20 процентов поверхности суши в мире.

    Зоны вечной мерзлоты

    Вечная мерзлота широко распространена в северной части Северного полушария, где она встречается на 85% территории Аляски, 55% территории России и Канады и, вероятно, на всей территории Антарктиды.Вечная мерзлота распространена шире и на севере простирается на большую глубину, чем на юге. Его толщина составляет 1500 метров (5000 футов) на севере Сибири, 740 метров - на севере Аляски и постепенно уменьшается к югу.

    Сэкономьте 50% на подписке Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сегодня

    Большую часть вечной мерзлоты можно разделить на две широкие зоны; непрерывный и прерывистый, относящийся к боковой непрерывности вечной мерзлоты. В сплошной зоне крайнего севера вечная мерзлота присутствует почти везде, кроме не промерзающих до дна озер и рек.Прерывистая зона включает многочисленные участки, свободные от вечной мерзлоты, которые постепенно увеличиваются в размерах и количестве с севера на юг. Рядом с южной границей обнаружены лишь редкие участки вечной мерзлоты.

    В дополнение к тому, что вечная мерзлота широко распространена в арктических и субарктических районах Земли, вечная мерзлота существует также в более низких широтах и ​​в высокогорных районах. Этот вид многолетней мерзлоты называют альпийской вечной мерзлотой. Хотя данных с высоких плато и гор мало, измерения, проведенные ниже активного поверхностного слоя, указывают на зоны, где температура 0 ° C или ниже сохраняется в течение двух или более лет.Самая большая площадь альпийской вечной мерзлоты находится в западном Китае, где, как известно, существует 1 500 000 квадратных километров (580 000 квадратных миль) вечной мерзлоты. В прилегающих к США территориях вечная мерзлота в Альпах ограничена примерно 100 000 квадратных километров в высоких горах на западе. Вечная мерзлота встречается на высоте всего 2500 метров в северных штатах и ​​примерно на 3500 метров в Аризоне.

    Уникальное явление вечной мерзлоты - не имеющее аналогов на суше - находится под Северным Ледовитым океаном, на северных континентальных шельфах Северной Америки и Евразии.Это известно как подводная или морская вечная мерзлота.

    Изучение вечной мерзлоты

    Хотя существование вечной мерзлоты было известно жителям Сибири на протяжении веков, ученые западного мира не принимали всерьез отдельные сообщения о большой толщине мерзлого грунта, существующей под северными лесами и лугами до 1836 года. Затем Александр Теодор фон Миддендорф измерил температуры на глубине около 100 метров вечной мерзлоты в Шаргинском валу, неудачном колодце, вырытом для губернатора Российско-Аляскинской торговой компании, в Якутске, и подсчитал, что толщина вечной мерзлоты была 215 метров.С конца 19 века российские ученые и инженеры активно изучали вечную мерзлоту и применяли результаты своих исследований при освоении севера России.

    Точно так же старатели и исследователи знали о вечной мерзлоте в северных регионах Северной Америки в течение многих лет, но только после Второй мировой войны ученые и инженеры в Соединенных Штатах начали систематические исследования вечномерзлых грунтов. и Канада. С тех пор, как в 1970-х годах началась серьезная эксплуатация огромных запасов нефти на северных континентальных шельфах, исследования подводной вечной мерзлоты продвигались даже быстрее, чем исследования вечной мерзлоты на суше.

    Исследования вечной мерзлоты в Альпах начались с изучения каменных ледников в Альпах Швейцарии. Хотя было известно, что лед существует в каменных ледниках, только после Второй мировой войны исследования геофизическими методами четко продемонстрировали медленное движение многолетнего льда, то есть вечной мерзлоты. В 1970-х и 1980-х годах в России, Китае и Скандинавии начались детальные геофизические работы, температура и исследование скважин вечной мерзлоты в горах, особенно в отношении строительства в высокогорных районах и на плато.

    Происхождение и устойчивость вечной мерзлоты

    Температура воздуха и температура земли

    В районах, где средняя годовая температура воздуха становится ниже 0 ° C, часть земли, промерзшей зимой, летом не оттаивает полностью; таким образом, слой вечной мерзлоты будет формироваться и каждый год будет постепенно расти вниз из сезонно мерзлого грунта. Слой вечной мерзлоты будет становиться толще каждую зиму, и его толщина будет определяться тепловым балансом между тепловым потоком из недр Земли и потоком тепла наружу в атмосферу.Этот баланс зависит от средней годовой температуры воздуха и геотермического градиента. Средний геотермический градиент увеличивается на 1 ° C (1,8 ° F) на каждые 30-60 метров глубины. В конце концов, сгущающийся слой вечной мерзлоты достигает равновесной глубины, на которой количество геотермального тепла, достигающего вечной мерзлоты, в среднем равно тому, которое теряется в атмосферу. Требуются тысячи лет, чтобы достичь состояния равновесия, при котором толщина вечной мерзлоты составляет сотни футов.

    Годовые колебания температуры воздуха от зимы к лету слабо отражаются в верхних нескольких метрах земли.Это колебание быстро уменьшается с глубиной, составляя всего несколько градусов на высоте 7,5 метров и едва заметное на расстоянии 15 метров. Уровень нулевой амплитуды, при котором колебания практически не обнаруживаются, составляет от 9 до 15 метров. Если вечная мерзлота находится в тепловом равновесии, температура на уровне нулевой амплитуды обычно рассматривается как минимальная температура вечной мерзлоты. Ниже этой глубины температура постоянно увеличивается под воздействием тепла из недр Земли. Температура вечной мерзлоты на глубине минимального годового сезонного изменения колеблется от около 0 ° C на южной границе вечной мерзлоты до -10 ° C (14 ° F) на севере Аляски и -13 ° C (9 ° F) на северо-востоке Сибири. .

    По мере того, как климат становится холоднее или теплее, но при сохранении среднегодовой температуры ниже 0 ° C, температура вечной мерзлоты соответственно повышается или понижается, что приводит к изменению положения основания вечной мерзлоты. Положение кровли вечной мерзлоты будет понижено из-за таяния, когда климат станет теплее до средней годовой температуры воздуха выше 0 ° C. Скорость изменения основания или кровли вечной мерзлоты зависит не только от количества климатических колебаний, но также от количества льда в грунте и состава грунта, условий, которые частично контролируют геотермический градиент.Если известен геотермический градиент и если температура поверхности остается стабильной в течение длительного периода времени, то, следовательно, можно прогнозировать, зная среднегодовую температуру воздуха, толщину вечной мерзлоты в конкретной области, удаленной от тел. воды.

    .

    Смотрите также