Климова Айлин

Технологии возведения объектов с сохранением мерзлого состояния грунтов представляют собой комплекс инженерных решений, направленных на поддержание термической стабильности вечномерзлых грунтов (ВМГ) в течение всего жизненного цикла сооружения. Эти методы, известные как принцип I по СП 25.13330.2020, основаны на предотвращении деградации мерзлых пород, которые обладают высокой несущей способностью в замерзшем состоянии, но теряют свои свойства при оттаивании. Современные подходы сочетают традиционные методы с инновационными техническими решениями, обеспечивающими безопасную эксплуатацию зданий и сооружений в условиях криолитозоны.

Пассивные методы термостабилизации

Пассивные методы основаны на использовании естественных климатических ресурсов и рациональном проектировании конструкций без потребления энергии. Устройство вентилируемых подполий и проветриваемых технических подпространств является классическим решением, позволяющим использовать холодный воздух для охлаждения грунтов основания. При этом здание возводится на свайном фундаменте с обеспечением воздушного зазора между поверхностью земли и перекрытием первого этажа, что создает естественную конвекцию воздуха в зимний период.

Создание сезонно-действующих охлаждающих покрытий и экранов представляет собой эффективный способ регулирования теплового режима грунтов. Использование теплоизоляционных материалов с определенными параметрами позволяет аккумулировать холод в зимний период и защищать грунты от прогрева летом. Особое внимание уделяется устройству поверхностных водоотводов и организации стока, поскольку вода обладает высокой теплотой фазового перехода и может вызывать локальное протаивание мерзлых пород.

Активные системы охлаждения

Активные методы предполагают использование специальных устройств для целенаправленного охлаждения грунтов. Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ), известные как термосваи, работают по принципу двухфазного термосифона. В зимний период жидкий хладагент испаряется в нижней части устройства, отбирая тепло из грунта, а затем конденсируется в надземной части, отдавая холод атмосфере. Летом процесс прекращается, что предотвращает обратный теплоперенос.

Вентиляционные системы принудительного охлаждения используются для интенсивного отвода тепла из подпольных пространств. Эти системы включают вентиляторы, управляемые автоматикой на основе данных температурного мониторинга. Современные установки оснащаются системами рекуперации холода и могут работать в различных режимах в зависимости от температурных условий, обеспечивая точное поддержание заданного теплового режима грунтов основания.

Конструктивные решения фундаментов

Свайные фундаменты с вентилируемым подпольем являются основным типом конструкций, используемых в практике строительства на вечномерзлых грунтах. Сваи погружаются в мерзлые породы ниже активного слоя сезонного оттаивания-промерзания, а ростверк располагается с зазором над поверхностью земли. Такая конструкция предотвращает тепловое воздействие здания на грунты основания и обеспечивает их естественное охлаждение в холодный период года.

Монолитные железобетонные плиты с принудительным охлаждением применяются при необходимости распределения нагрузок на слабые мерзлые грунты. Эти конструкции сочетают функции фундамента и системы термостабилизации, включая замкнутую систему трубопроводов с хладоносителем или встроенные термосваи. Температурный режим контролируется датчиками, размещенными в толще грунта, с автоматической корректировкой работы охлаждающих устройств.

Комплексный подход к термостабилизации

Современные проекты предусматривают создание интегрированных систем мониторинга и управления тепловым режимом. Автоматизированные системы сбора данных включают датчики температуры, установленные в различных точках грунтового массива, и метеостанции для учета климатических факторов. На основе этих данных алгоритмы прогнозируют изменение теплового состояния основания и оптимизируют работу охлаждающих устройств.

Ландшафтное планирование и организация территории играют crucial роль в сохранении мерзлого состояния грунтов. Создание растительных покровов с определенными альбедо-характеристиками, устройство снегозадерживающих сооружений и оптимизация планировочных решений позволяют минимизировать теплопритоки к поверхности грунта. Особое внимание уделяется защите от техногенных тепловых воздействий, включая прокладку инженерных коммуникаций в специальных каналах с теплоизоляцией.

Технологии возведения объектов с сохранением мерзлого состояния грунтов продолжают развиваться, предлагая все более эффективные решения для строительства в условиях криолитозоны. Современный подход предполагает переход от отдельных технических решений к созданию комплексных систем термостабилизации, объединяющих пассивные и активные методы. Ключевыми направлениями развития являются совершенствование систем автоматического контроля и управления, создание новых материалов с улучшенными теплофизическими характеристиками, а также разработка точных методов прогнозирования изменения теплового режима грунтов. Особую важность приобретает учет климатических изменений и их влияния на динамику вечномерзлых пород, что требует создания адаптивных систем, способных функционировать в меняющихся условиях. Успешная реализация проектов в криолитозоне возможна только при условии интеграции инженерных решений с системами мониторинга и управления, обеспечивающими долговременную стабильность мерзлых грунтов основания на протяжении всего жизненного цикла объекта.

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.

Возведение сооружений в условиях вечной мерзлоты требует применения специальных технологий, направленных на сохранение термического режима грунтов основания. Одним из наиболее эффективных подходов является использование вентилируемых подполий и термоизоляционных экранов, которые в комплексе позволяют предотвратить деградацию мерзлых пород и обеспечить долговечную эксплуатацию зданий в криолитозоне. Данные технологии регламентированы требованиями СП и СНиП для строительства в северных регионах.

Технологии возведения сооружений с вентилируемыми подпольями и термоизоляционными экранами

1. Устройство проветриваемого подполья
Конструкция предполагает создание замкнутого воздушного пространства между перекрытием первого этажа и поверхностью грунта. Высота подполья обычно составляет 0,8-1,2 метра, что обеспечивает достаточную циркуляцию воздуха. По периметру цокольной части здания выполняются продухи с регулируемыми заслонками, позволяющие управлять интенсивностью вентиляции в зависимости от сезонных изменений температуры наружного воздуха.

2. Монтаж термоизоляционных экранов
Теплоизоляционные покрытия устраиваются на поверхности земли внутри подполья для минимизации теплопоступлений в грунт основания. В качестве утеплителя применяются пенополистирольные плиты высокой плотности или пеностекло, укладываемые в два слоя с перекрытием стыков. Толщина теплоизоляции определяется теплотехническим расчетом и обычно составляет 100-150 мм. Сверху утеплитель защищается стяжкой из керамзитобетона или цементно-песчаного раствора.

3. Организация системы мониторинга температурного режима
В процессе строительства и эксплуатации обязательным является устройство системы геотехнического мониторинга. В грунте основания устанавливаются термометрические датчики на разных глубинах и в характерных точках под зданием. Регулярные замеры температуры позволяют своевременно выявлять тенденции к потеплению мерзлых грунтов и корректировать режим вентиляции подпольного пространства.

4. Сезонное регулирование воздухообмена
Технология предусматривает изменение интенсивности проветривания подполья в разные периоды года. В зимнее время продухи открываются для максимального охлаждения основания холодным воздухом, в летний период вентиляция ограничивается для предотвращения поступления тепла. Для автоматизации процесса могут применяться системы с температурными датчиками и сервоприводами на заслонках продухов.

5. Комплексное проектирование всех элементов системы
Эффективность технологии обеспечивается только при комплексном подходе к проектированию. Учитываются взаимосвязи между высотой подполья, толщиной теплоизоляции, площадью продухов и теплофизическими характеристиками грунтов. Особое внимание уделяется узлам примыкания утеплителя к цокольной части здания и свайному фундаменту для создания непрерывного термического контура.

Применение технологий вентилируемых подполий и термоизоляционных экранов доказало свою эффективность для строительства в условиях вечной мерзлоты. Правильно спроектированная и реализованная система позволяет сохранять стабильное температурное состояние грунтов основания на протяжении всего срока эксплуатации здания. Данный подход соответствует принципам рационального природопользования в криолитозоне и обеспечивает требуемую надежность сооружений при соблюдении нормативных требований СП и СНиП.

Строительство в условиях вечной мерзлоты представляет собой одну из наиболее сложных задач в инженерной практике. Основная проблема заключается в том, что грунты в криолитозоне теряют свою несущую способность при оттаивании, что может привести к деформациям и разрушению сооружений. Для обеспечения долговечности и надежности объектов в таких условиях применяются специальные технологии тепловой стабилизации грунтов. Эти методы направлены на сохранение или искусственное поддержание мерзлого состояния основания, предотвращая его протаивание под тепловым воздействием зданий и коммуникаций. Данная статья рассматривает ключевые технологии, используемые для тепловой стабилизации грунтов, их принципы действия и области применения.

Принцип тепловой стабилизации грунтов
Основная цель тепловой стабилизации — не допустить деградации вечной мерзлоты. Это достигается за счет контроля теплового режима грунтового основания. Методы можно разделить на две боль группы: пассивные и активные. Пассивные методы направлены на уменьшение поступления тепла в грунт, в то время как активные — на активное охлаждение основания.

Пассивные методы тепловой стабилизации

1. Вентилируемые подполья и проветриваемые подвалы. Это один из самых распространенных и эффективных пассивных методов. Здание возводится на свайном фундаменте, а его первый этаж или цокольный уровень не отапливается. Пространство под зданием открыто для свободной циркуляции холодного воздуха, который выхолаживает грунт в зимний период и нейтрализует тепловое воздействие от здания в летний. Это позволяет сохранять естественный тепловой баланс мерзлого основания.

2. Термоизоляционные покрытия. Для уменьшения теплопритока от сооружений и солнечной радиации на поверхности грунта укладываются слои теплоизоляционных материалов (например, пенополистирол, пенополиуретан, керамзит). Они особенно эффективны для защиты от сезонного оттаивания и используются при устройстве насыпей, дорог, а также для изоляции основания вокруг фундаментов.

3. Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СДОУ). Это пассивные системы, представляющие собой трубы-теплоотводы, заполненные хладагентом. Один конец трубы размещается в грунте, другой — на поверхности. Зимой пары хладагтеля конденсируются в надземной части, отдавая холод, а жидкость стекает вниз, забирая тепло из грунта. Летом процесс прекращается. СДОУ эффективно отводят тепло из грунта в холодный период, создавая искусственную мерзлоту.

Активные методы тепловой стабилизации

1. Искусственное замораживание грунтов. Эта технология применяется в случаях, когда необходимо создать или восстановить мерзлое состояние грунта. В грунт погружаются специальные замораживающие колонки (трубы), по которым циркулирует хладоноситель (рассол или жидкий азот). Система требует значительных энергозатрат и сложного оборудования, поэтому ее применение оправдано в критических ситуациях, например, для ремонта аварийных фундаментов или при проходке тоннелей.

2. Использование термостабилизаторов (охлаждающих установок). Это более современный и энергоэффективный активный метод. В грунт устанавливаются тепловые насосы, которые принудительно отводят тепло из основания и рассеивают его в атмосферу. Такие системы могут работать в автоматическом режиме, поддерживая заданную температуру грунта круглый год.

Технологии тепловой стабилизации грунтов являются критически важным элементом строительства в районах вечной мерзлоты. Выбор конкретного метода зависит от типа сооружения, инженерно-геокриологических условий и экономической целесообразности. Современный подход часто предполагает комбинацию пассивных и активных методов, что позволяет создать надежную и устойчивую систему для защиты мерзлого основания от оттаивания. Грамотное применение этих технологий, регламентированное соответствующими СП и СНиП, обеспечивает безопасную и долговечную эксплуатацию объектов в суровых условиях криолитозоны.