Цена ошибки — разрушение: как правильно проектировать и строить на вечной мерзлоте
Почему нашей стране необходимо следить за своей мерзлотой, чем грозит пренебрежение особыми правилами строительства и эксплуатации зданий в таких районах, «Стройгазете» рассказал председатель правления Межрегионального союза проектировщиков и архитекторов Сибири (Омск), заслуженный строитель России, кандидат технических наук Юзеф МОСЕНКИС.
Юзеф Матвеевич, недавно вы прочитали курс лекций в шести строительных вузах Сибири и Забайкалья по специфике строительства на вечной мерзлоте.
Да, и акцент в них сделан на моем опыте проектирования и строительства на вечномерзлых грунтах, анализе причин деформаций зданий. В основе — материалы моей книги «Строительство на вечномерзлых грунтах Забайкалья: ошибки проектирования, строительства и эксплуатации зданий», изданной в начале 2024 года. В книге я постарался изложить результаты натурных обследований зданий на вечномерзлых грунтах Забайкалья, которые проводил с 1962 года по 2022-й, поделиться опытом проектирования, отметить ошибочные проектные решения (в том числе и мои), нарушения при строительстве, а также обратить внимание на важность грамотной эксплуатации объектов в сложных мерзлотно-грунтовых условиях.
Почему эта тема обострилась сегодня?
Она всегда была острой. Районы распространения вечномерзлых грунтов (ВМГ) занимают до 65% территории России, именно там «хранятся» основные наши природные богатства, и если мы по-настоящему хотим развивать эти огромные территории, надо уметь строить и эксплуатировать сооружения в условиях ВМГ.
Это какое-то новое «умение»?
Нет. Опыта накоплено немало, так как именно Россию следует считать первопроходцем строительства на ВМГ, где создана проверенная практикой нормативная база. Первая универсальная идея «проветриваемого подполья», обеспечившая прогресс строительного освоения районов вечной мерзлоты, была сформулирована еще в 1912 году инженером В. П. Стаценко, а с 1939 года использование ВМГ в качестве оснований сооружений регламентировалось техническими условиями, впоследствии замененными на правила проектирования, разработанные «БАМпроектом».
Технические условия проектирования оснований и фундаментов на ВМГ (СН 91-60), действовавшие в 1960-1966 годах, предусматривали четыре основных метода (принципа) использования ВМГ в качестве оснований сооружений: I — без учета вечномерзлого состояния грунтов основания; II — с сохранением вечномерзлого состояния грунтов оснований в процессе строительства и эксплуатации; III — с допущением оттаивания вечномерзлых грунтов оснований; IV — с предпостроечным оттаиванием ВМГ основания. На эти принципы во многом опираются и современные нормативы.
Считаю, что организации, которые берутся сегодня за проектирование и строительство на ВМГ, должны изучать эти нормы, этот опыт. Хотя мерзлота коварна и регулярно подкидывает инженерам сюрпризы даже в ситуациях, когда вроде все тщательно проработано. Тем более сейчас: в результате потепления мерзлота местами деградирует, вызывая изменение физико-механических характеристик грунтов. Для России эта проблема наиболее болезненна: темпы потепления в ней в 2,5 раза превосходят среднеглобальные, а на территории российской Арктики — в 3,7 раза.
Увеличение глубины протаивания снижает механическую устойчивость объектов капитального строительства на ВМГ. По подсчетам ученых, в мире к 2050 году 120 тыс. зданий, 40 тыс. км дорог и 9,5 тыс. км трубопроводов могут оказаться под угрозой разрушения. В частности, это канадские автомагистрали, Трансаляскинский нефтепровод. В России в опасную зону попадают Воркута, Якутск, Норильск, объекты Арктической зоны.
Тщательное изучение опыта проектирования и строительства на ВМГ при подготовке проектной документации — объективная необходимость?
Да, и это нужно делать для любых мерзлотно-грунтовых условий. Ведь мерзлота мерзлоте рознь, и изучать надо опыт именно того района, где планируется строительство, а если опыта нет — проводить инженерно-геологические изыскания как можно тщательнее и подробнее. В проектной документации должны быть приведены инженерно-геологические разрезы, мерзлотные характеристики (объемный вес скелета грунта, суммарная влажность, суммарная льдистость, криогенная текстура, коэффициенты оттаивания, сжимаемости и др.) и температура грунтов как в природном состоянии, так и в состоянии, предусмотренном на период эксплуатации объектов. Для случаев применения уже упомянутого «второго принципа» на разрезы также следует нанести очертания «чаши оттаивания» для расчетного срока эксплуатации здания.
Как показала практика, достаточно продвинутые для начала 1970-х технические средства и методы инженерно-геологических изысканий, методы проектирования, высокий технологический уровень производства строительных работ все равно не обеспечили высокой надежности объектов промышленного и гражданского строительства в зоне Байкало-Амурской магистрали. Сказались недостаточный объем исследований, прямое перенесение опыта освоения площадок с ВМГ северных районов Сибири и Дальнего Востока на зону БАМ без учета ее специфических геокриологических условий, ряд других ошибок. Немаловажную роль сыграл и низкий уровень знаний в области инженерного мерзлотоведения специалистов, осуществлявших проектирование и строительство магистрали, которые привлекались из других регионов страны, включая республики Закавказья и Средней Азии.
В целом весьма проблематично надеяться на надежность расчетных обоснований принимаемых специальных конструктивных мероприятий. В случаях невозможности замены земельного участка на более благоприятный по мерзлотно-грунтовым условиям целесообразно применить концепцию приспособления грунтов оснований к конструкциям зданий.
Приспособление следует производить не только за счет предварительного оттаивания ВМГ, но и за счет их закрепления в целях улучшения физико-механических свойств. Преимущество такого подхода в том, что результаты и эффективность этих мероприятий можно надежно проверить еще до начала строительства посредством контрольных инженерно-геологических изысканий. Все это обязательно должно находить адекватное отражение в сроках подготовки проектной документации, в контрактах на проектно-изыскательские работы.
Выбор принципа строительства на ВМГ производится с учетом конкретных грунтовых условий, но, возможно, есть и какие-то общие правила?
При строительстве по принципу I на застроенных территориях необходимо учитывать тепловое влияние расположенных поблизости зданий и сооружений, выдерживая расстояния безопасности (мерзлотные разрывы) между объектами, возводимыми по различным принципам. Ширина разрыва определяется расчетом и должна составлять не менее 50 м. Полосы разрывов можно в дальнейшем использовать для транспортных магистралей и зеленых насаждений. Застройку следует осуществлять группами зданий, в которых необходимо применять единый принцип использования ВМГ в качестве оснований.
Учитывая глобальное потепление, как можно «подстраховать» работу проветриваемого подполья, уберечь грунтовое основание от нежелательного оттаивания?
В этих целях рекомендуется применять системы, обеспечивающие устойчивость мерзлого состояния грунтов за счет естественного холода, то есть термостабилизации ВМГ. Есть горизонтальные трубчатые системы замораживания и температурной стабилизации — тип «ГЕТ», и их вертикальный аналог — тип «ВЕТ». Устройство не требует электроэнергии, автоматически действует в зимнее время за счет гравитации и разницы температур между грунтом и наружным воздухом. Указанные системы — отечественные, разработаны в Тюмени НПО «Фундаментстройаркос».
Нормальная работа сооружения на ВМГ зависит от правильности его эксплуатации?
Безусловно. И в многолетней практике я встречался с частыми случаями нарушений: когда, например, вентиляционные продухи наглухо закрывают, «чтобы холод на первые этажи не шел». Последствия понятны: меняется схема теплового взаимодействия здания с грунтами основания, что приводит к деформациям.
На самом деле уже давно существуют документы, на которые следует ориентироваться: «Инструкция по эксплуатации жилых зданий в северной климатической зоне» (Москва, 1986) и «Рекомендации по контролю за устойчивостью зданий и сооружений на оттаивающих ВМГ Забайкалья» (Якутск, Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1988). Правила эксплуатации изложены также в «Региональных технических рекомендациях по проектированию и строительству на мерзлых грунтах в Забайкалье» (Омск-Чита, 2007), и в «Предложениях по организации мерзлотной службы в городах и крупных населенных пунктах РСФСР» (Госстрой СССР, 1976).
В составе проектно-сметной документации необходимо разрабатывать раздел по эксплуатационному содержанию объектов, возводимых на ВМГ и морозоопасных грунтах. В нем должны присутствовать чертежи устройства реперов и стенных марок для нивелирования, а также устройства термометрических скважин.
Для надежной эксплуатации сооружений на ВМГ рекомендуется в таких регионах, как Забайкальский край, создать специальный отдел мерзлотного надзора, а в целях определения надежности принятых проектных решений — сформировать профильные экспертные комиссии при региональных Минстроях.