Технологии возведения объектов с сохранением мерзлого состояния грунтов
Строительство в условиях вечной мерзлоты (криолитозоны) представляет собой одну из самых сложных инженерных задач. Главный вызов заключается в том, что грунты в своем мерзлом состоянии обладают высокой несущей способностью, однако при оттаивании они теряют прочность и становятся пучинистыми, что ведет к деформациям и разрушению сооружений. Чтобы предотвратить это, применяется принцип I, регламентированный сводами правил (например, СП 25.13330.2020): сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии в течение всего срока эксплуатации объекта. Данная статья рассматривает ключевые технологии и методы, позволяющие обеспечить термостабильность основания и безопасную эксплуатацию зданий и сооружений в этих суровых условиях.
1. Принцип сохранения мерзлого состояния грунтов
Основная идея технологии заключается в активном отводе тепла от основания и предотвращении его прогрева как от самого здания, так и от окружающей среды. Это достигается за счет комбинации конструктивных решений и инженерных систем, которые поддерживают или даже искусственно понижают температуру вечномерзлых грунтов (ВМГ).
2. Технология вентилируемых подполий (холодных подполий)
Это одно из самых распространенных и эффективных решений для гражданского и промышленного строительства.
Принцип действия: Здание возводится на свайном фундаменте, при этом его цокольный этаж или нижнее перекрытие не контактирует с грунтом. По периметру цоколя оставляются продухи (отверстия), которые остаются открытыми в холодный период. Зимой холодный воздух свободно циркулирует под зданием, активно вымораживая грунт и отводя тепло. Летом продухи могут частично закрываться для минимизации притока теплого воздуха.
Преимущества:
Естественная вентиляция использует климатический ресурс Арктики.
Эффективно предотвращает тепловое воздействие отапливаемого здания на основание.
Относительно проста в реализации и эксплуатации.
3. Свайные фундаменты с вентилируемым зазором (система "Фан-Дэко")
Данная технология является усовершенствованным вариантом свайного фундамента, специально разработанным для криолитозоны.
Принцип действия: Железобетонные сваи погружаются (забиваются или бурятся) в мерзлый грунт ниже активной зоны сезонного оттаивания. На оголовки свай устанавливается ростверк, но между ним и поверхностью земли оставляется значительный зазор (обычно 0,8–1,5 метра). Этот зазор обеспечивает свободную циркуляцию холодного воздуха, который охлаждает грунт вокруг свай и под зданием. Для дополнительного охлаждения могут устанавливаться направляющие экраны, усиливающие воздушный поток.
Преимущества:
Создает мощный термический барьер между теплым зданием и мерзлым грунтом.
Позволяет эффективно проветривать пространство под объектом даже при значительных снеговых нагрузках.
4. Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) — Термосваи
Это активная технология искусственного поддержания мерзлого состояния грунтов, применяемая для ответственных объектов или в сложных геокриологических условиях.
Принцип действия: Термосваи представляют собой закрытые двухфазные термосифоны. Нижняя часть устройства (испаритель) заглубляется в грунт, а верхняя (конденсатор) находится на поверхности. Внутри термосваи находится легкокипящая жидкость (например, аммиак, углекислота). Зимой, когда температура воздуха ниже температуры грунта, жидкость в испарителе закипает, поглощая тепло из грунта. Пар поднимается в конденсатор, где отдает тепло холодному воздуху, конденсируется и стекает вниз. Этот цикл непрерывно отводит тепло из грунта, способствуя его промораживанию.
Преимущества:
Работают без внешних источников энергии, используя разность температур.
Обеспечивают интенсивное и направленное охлаждение основания.
Позволяют стабилизировать грунты под существующими объектами и предотвратить аварийные ситуации.
5. Устройство теплоизолирующих экранов
Для минимизации поступления тепла в грунт от здания и от солнечной радиации применяются различные виды теплоизоляции.
Принцип действия: Слой высокоэффективного утеплителя (например, экструдированного пенополистирола) укладывается на поверхности грунта вокруг здания или на перекрытии над вентилируемым подпольем.
Назначение:
Вертикальная теплоизоляция: Устанавливается по периметру здания для защиты от бокового прогрева.
Поверхностная теплоизоляция: Укладывается на поверхности для уменьшения сезонного оттаивания и защиты от солнечной радиации.
Компенсационная теплоизоляция: Размещается под неотапливаемыми частями здания (например, под холодными коридорами) для выравнивания теплового поля под объектом.
6. Снегозащитные и водоотводящие мероприятия
Снег и вода являются мощными источниками тепла для мерзлых грунтов, поэтому управление ими — критически важный элемент технологии.
Мероприятия:
Снегозащитные заборы и ограждения: Устанавливаются с наветренной стороны для предотвращения снегонакопления вблизи фундаментов, так как снежный покров обладает высокими теплоизоляционными свойствами и препятствует выхолаживанию грунта зимой.
Планировка территории: Выполняется для обеспечения быстрого и организованного стока талых и дождевых вод от здания, предотвращая подтопление и тепловую эрозию грунтов.
Технологии возведения объектов с сохранением мерзлого состояния грунтов представляют собой комплекс взаимосвязанных мер, направленных на активное управление тепловым режимом основания. От традиционных вентилируемых подполий до высокотехнологичных термосвай — каждая из этих технологий решает общую задачу: не допустить деградации вечномерзлых грунтов. Успешная реализация этих методов требует глубокого понимания геокриологии, точного инженерного расчета и строгого соблюдения нормативных требований. Только такой комплексный подход позволяет обеспечить долговечную и безопасную эксплуатацию инфраструктуры в экстремальных условиях Арктики и других регионов распространения вечной мерзлоты.