Бизнес  ->  Строительство  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Вечная мерзлота и ее влияние на устойчивость зданий и сооружений

Вечная мерзлота- это природный феномен Северного полушария нашей планеты, где сосредоточена большая часть суши. Здесь расположены два крупнейших ареала вечной мерзлоты – азиатский и североамериканский, распространяющиеся от берегов Северного Ледовитого океана далеко на юг в глубь континентов. Единственный материк, где отсутствует вечная мерзлота- Австралия. Даже в Африке предполагается наличие вечной мерзлоты на высочайших горных массивах. Для России это явление так же носит глобальный характер, ведь в мире нет другой такой державы, столь активно хозяйствующей в зоне вечномерзлых грунтов- 63 % территории страны приходится на этот район.

Формирование мерзлоты произошло еще в ледниковое время, когда суровый, малоснежный резко континентальный климат был выражен еще резче чем в настоящее время. Образование вечной мерзлоты связано с потерями большого количества тепла в антициклонных условиях холодного периода и глубоким промерзанием горных пород. Летом породы не успевали полностью оттаять.

Так в течение сотен тысяч лет происходило постепенное «накопление холода». Понижалась температура мерзлых пород, увеличивалась их мощность. Следовательно, мерзлота – наследие ледникового периода, своего рода реликт.

Мерзлота влияет на хозяйственную деятельность населения, осложняя освоение территории, в том числе большую часть территории Крайнего Севера.

Цель работы определение влияния вечной мерзлоты на несущую способность зданий и сооружений, а также использование существующих оснований фундаментов для создания новых архитектурных образов в городе Талнах.

При капитальном строительстве необходимо учитывать возможность протаивания мерзлоты и вспучивания грунтов под строительными объектами и при нарушении растительного покрова в процессе строительных работ.

Это заставляет проводить дополнительные работы (например, строительство домов на сваях), что удорожает и замедляет строительство.

В связи с этим объектом нашего исследования стала территория с широко распространенными на Крайнем Севере вечномерзлыми грунтами.

Вечная мерзлота

Вечная мерзлота- это подземная часть криосферы - особой природной оболочки Земли, которая имеет постоянную отрицательную температуру и содержит значительные включения грунтового льда. Подземный лед - самый загадочный вид льда. Даже в настоящее время он до конца не изучен. Никто не может наверняка сказать, как лед образуется под землей. Подземный лед- это часть более общего природного явления – вечной мерзлоты.

В отличие от сезонной вечная мерзлота существует около 1. 5 млн. лет. Это разумеется максимальная длительность мерзлого состояния грунтов. В природе встречается и более молодая вечная мерзлота- возрастом всего несколько лет. В вечной мерзлоте, толщина которой достигает сотен метров, большая часть грунтовой влаги в результате замерзания превращается в различные формы подземного льда – от единичных не видимых глазом кристаллов до огромных скоплении в виде многометровых пластов и жил.

Виды подземного льда

Присутствие льда в мерзлой толще кардинально меняет ее свойства по сравнению с исходным, немерзлым грунтом. В то же время количество льда в вечномерзлых толщах разного типа неодинаково. Его содержание изменяется от долей процента, а в некоторых горизонтах и до 100 %! (приложение I - карта «подземный лед в вечной мерзлоте»)

Подземные льды очень разнообразны, наиболее часто встречаются лед-цемент и сегрегационный лед.

Лед-цемент – это мелкие, чаще всего не видимые глазом кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки в грунте. Образуется в результате замерзания воды и сублимации водяного пара в порах и капиллярах, существующих в грунте. Этот вид льда потому и называется цементом, что он как бы цементирует отдельные минеральные частицы в единую монолитную массу мерзлой толщи.

Сегрегационные льды образуются при промерзании влажных глинистых грунтов. В этом случае грунтовая масса разделяется на ледяные линзочки, прожилки (ледяные шлиры) и прослои глинистого грунта, сцементированного отдельными кристаллами льда. При формировании сегрегационных льдов происходит перемещение воды из глубоких слоев грунта к фронту промерзания. Таким образом, мерзлый грунт обогащается льдом. В зависимости от темпов промерзания, влажности, типа грунта может сильно меняться форма и толщина ледяных шлиров- тонких слоев льда- от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

При промерзании массивов твердых коренных пород лед образуется за счет воды, циркулирующей по тектоническим и иным трещинам, а также водяного пара, который, сублимируясь на холодных стенках трещин, создает ледяные щеточки.

Крупные включения подземного льда наиболее интересны для исследователей. Особое внимание привлекают огромные вертикальные жилы и горизонтальные пласты льда. Ледяные жилы могут достигать 10-20 метров и более.

Как же возникают такие льды? Зимой, когда полностью промерзает слой летнего оттаивания, мерзлота образует сплошной монолит, простирающийся вглубь поверхности на многие метры. В области вечной мерзлоты при сильных морозах происходит охлаждение массивов мерзлых толщ. Они испытывают своеобразный тепловой удар и растрескиваются по поверхности. Трещины называются морозобойными. И действительно, образование трещин сопровождается сильным шумом.

Самые же крупные включения льда в толще вечной мерзлоты- это пластовые льды. Они представляют собой преимущественно горизонтально ориентированные пласты льда, простирающиеся на многие сотни метров. Их вертикальная мощность колеблется от нескольких метров до десятков и более. Пластовый лед встречается, как правило в верхних горизонтах мерзлых толщ (до 40-50 метров), но известны пластовые льды и на больших глубинах - до 100 - 150 метров.

В некоторых случаях пластовые льды имеют горизонтальную слоистость, иногда они сильно деформированы, смяты в складки, так же как и вмещающие их мерзлые грунты. Лед может быть как чистым, так и содержать включения песка, валунов, суглинков.

Природа этого феномена до конца не изучена, ученые пока не имеют единого взгляда на проблему происхождения этих льдов.

Температура и мощность

Температура и мощность вечной мерзлоты – важнейшие характеристики, определяющие её устойчивость. Как правило, эти параметры меняются с разной последовательностью. Сначала – температура, а затем мощность.

Минимальные температуры обычно наблюдаются в приповерхностном слое вечномерзлой толщи, а по мере углубления температура повышается до 0 С на подошве. Температура мерзлых толщ непостоянна. В верхнем горизонте она изменяется в течении года. Весной и летом верхние слои постепенно нагреваются, а самый верхний нагревается настолько, что оттаивает на небольшую глубину. Осенью и зимой этот слой промерзает и температура достигает минимальных значений. Колебания температуры, происходящие в верхнем слое в течении года, называются сезонными колебаниями, и они постепенно затухают на некоторой глубине (обычно 10-15 м). Ниже температура вечномёрзлой толщи остается постоянной в течении года. Но это не означает, что на больших глубинах температура вечной мерзлоты не изменяется вообще. Здесь она также нестабильна, но изменения происходят медленно вслед за вековыми, тысячелетними и более длительными колебаниями климата.

Среднегодовые температуры вечной мерзлоты изменяются в широких пределах – от 0 до –15 С. Минимальные температуры вечной мерзлоты наблюдаются в самых северных пределах её ареала, в зоне сплошного распространения. К югу температуры вечной мерзлоты постепенно становятся выше и на южной границе равна 0 С.

Широтная температурная зональность мерзлоты сочетается с вертикальной поясностью в горах, где по мере подъёма температура вечной мерзлоты понижается.

Толщина вечной мерзлоты увеличивается с юга на север – от 3 – 4 до многих сотен метров. Однако в каждом конкретном районе толщина мерзлоты зависит от геологического строения земной коры, водонасыщенности промёрзших толщ, рельефа, глубинных потоков тепла и т. д. В горах, расположенных в пределах ареала вечной мерзлоты, её мощность обычно резко возрастает. Так, в северном Забайкалье, на хребте Удокан, мощность толщ, имеющих отрицательную температуру в течении всего года, достигает 1300 м, а высокогорных частях Памира и Тянь-Шаня подобные толщи могут иметь мощность 2,5-3 км. По сравнению с горными системами мощность мерзлых толщ на равнинах выглядит не столь впечатляюще: на севере Западной Сибири это 400 – 600 м, в районе устья реки Лены – 600 – 650 м.

Велика роль слоя сезонного оттаивания. Именно благодаря ему в зоне вечной мерзлоты возможно произрастания высших растений: трав, злаков, кустарников и даже деревьев.

Вечная мерзлота начинается не от поверхности земли, а с некоторой глубины, изменяющейся в зависимости от географической широты, абсолютной высоты и местных условий – состав почв грунта, растительности, увлажнения и др. Толщина слоя сезонного оттаивания, или, как его иногда называют, «деятельного слоя», меняется от 0,2 – 0,3 м на севере до 4 – 5 м на юге области вечной мерзлоты. Ежегодно в тёплый сезон года деятельный слой оттаивает, и затем осенью и зимой вновь замерзает, сливаясь с массивом вечной мерзлоты. В летние месяцы температура оттащившего слоя, его верхних почвенных горизонтов достигает 10 – 15 С.

Глубина летнего оттаивания минимальна на торфяниках и под моховым покровом ( 0. 2 – 0. 3 метра), суглинистые почвы оттаивают на большую глубину (1 – 1. 5 метра), а на песках, гравийно- галичных и щебнистых грунтах глубина оттаивания всегда максимальна ( более 2- 2. 5 метра).

По характеру распространения вечной мерзлоты ясно, что глубокое промерзание земных недр возможно в условиях сурового холодного климата, продолжительных зим, отрицательных среднегодовых температур воздуха, небольшого снежного покрова, плохо защищающего почву от выхолаживания.

Максимального развития вечная мерзлота достигает в областях с холодным и сухи климатом с небольшим количеством снега, что ограничивает возможности развития ледников. С этой точки зрения Россия, а именно Якутия, на большей части которой господствует континентальный климат, так же весьма благоприятно для глубокого промерзания земных недр. Не случайно именно на севере России зафиксированы рекордные глубины проникновения отрицательных температур- 1450 метров.

Опасность таяния вечной мерзлоты

Исследования показали, что при повышении температуры мерзлых грунтов изменяются их физико-механические свойства (объёмный вес, влажность, пористость, адгезия к сваям-основаниям),что, в конечном счете, уменьшает несущую способность фундаментов, приводя к повреждению построенных на них сооружений. Для этого совсем не обязательно, чтобы грунты начали таять, достаточно увеличения их температуры. Опасность, которую представляет таяние вечной мерзлоты для всей расположенной на Крайнем Севере промышленной и социальной инфраструктуры, весьма реальная. Ведь львиная доля сооружений построена на свайных фундаментах, использующих многолетнемерзлый грунт в качестве оснований, и рассчитана на эксплуатацию в определенных температурных условиях. В условиях климатического потепления у многих объектов, построенных на вечной мерзлоте, земля в буквальном смысле может "уйти из-под ног". И уже уходит!

[В Якутске из-за просадок мерзлого грунта за последние 30лет серьезные повреждения получили более 300 зданий. За десятилетие - с 1990 по 1999 годы - число сооружений, получивших различного рода повреждения из-за неравномерных просадок фундаментов, увеличилось по сравнению с предшествующим десятилетием в Норильске - на 42%, в Якутске - на 61, и в Амдерме - на 90% (!).

В июне 2001 года в поселке Черский, что в верхнем течение реки Колымы, обрушился жилой дом, точнее - одна из его секций. Трагедия случилась не из-за террористического акта или взрыва природного газа. Причина оказалась куда более прозаической – под фундаментом здания оттаяла вечная мерзлота. Да, подтекали проржавевшие системы водо- и теплоснабжения дома, вот и результат. Однако в протоколах обследования специалисты делают иной вывод: главная причина обрушения - повышение среднегодовых температур. От такого заключения, если задуматься, может стать не по себе.

В 1976 году подобное случилось в Кайеркане. 12 июля рухнула столовая «Белый олень». Взрыва не было. Сначала увидели, как по стене, по мозаичному панно, изображавшему белого оленя, быстро-быстро поползли трещинки, а через несколько секунд пол под ногами провалился, со страшным грохотом начали падать плиты и балки перекрытия. Никаких официальных сообщений - ни по телевидению, ни в газете. И только в 2001 году в интернете был опубликован комментарий заместителя главы города по Кайеркану Игоря Степаненко. Хотя причины трагедии расследовали две комиссии, но причину так и не установили. С одной стороны это могло быть использование бетона с малым запасом прочности, с другой деградация мерзлоты из-за того, что под основание здания постоянно стекала вода. ]

Что же ожидает наш Север - гигантский регион вечной мерзлоты? Что думают по этому поводу ученые? Какие прогнозы строят?

Очевидно, что изменения, связанные с таянием приповерхностной мерзлоты крайне опасны для любых имеющихся сооружений в этой зоне. В результате неизбежны массовые деформации зданий и сооружений, построенных без учета климатического потепления.

Конечно же, необходимо бороться с этой проблемой. Олег Анисимов, заведующий отделом изменений климата Государственного гидрологического института, считает, что изменения механических свойств грунта происходят в течение длительного времени и могут быть предсказаны. Поэтому необходимо продолжать геокриологические исследования. Они позволяют заранее оценить риск возникновения аварийных ситуаций и выработать наиболее эффективные и экономичные проектные решения для минимизации возможных негативных и катастрофических последствий. В результате таких исследований, проводившихся в гидрологическом институте, удалось построить карты геокриологических опасностей связанных с таянием вечной мерзлоты. Эта карта рассчитана для климатических условий, которые можно ожидать к середине текущего столетия.

Строительство в районах Крайнего Севера.

Почвенно-мерзлотное состояние грунтов оказывает значительное влияние на градостроительные и архитектурные решения (выбор участка строительства, ширина улиц, прокладка линий инженерно-транспортных коммуникаций, объемно-планировочные решения зданий с продуваемым подпольем или без него и т. п. ). При этом проектные разработки должны учитывать характер грунтовых условий (большая ширина зданий может препятствовать естественному сквозному проветриванию подполий, что требует специальных технических решений), которые оказывают наибольшее влияние на выбор конструктивной схемы здания, на конструктивное решение нулевого цикла, на прочность, устойчивость, долговечность конструкций.

На всей территории Севера наиболее предпочтительны для строительства скальные основания, которые имеют относительно небольшие участки выхода к поверхности или расположены на глубине, доступной и целесообразной по экономическим соображениям для использования в качестве основания зданий.

Низкотемпературные твёрдомерзлые и пластично-мёрзлые грунты применяются в качестве основания при строительстве по I принципу (сохранения их в состоянии консервации) с устройством продуваемого подполья под зданиями. На большей территории Севера этот принцип является ведущим. Строительство по II принципу (оттаивания основания) целесообразно при наличии благоприятных для этой цели грунтовых пород оснований (скальных пород залегания или малопросадочных грунтов при оттаивании).

Формы залегания грунтов весьма разнообразны. Вечномерзлые грунты могут быть сплошными, с линзами талых грунтов, иметь островное расположение. Талые грунты обычно встречаются под водоемами, в местах выхода подземных вод и на засоленных морских берегах. Причем деятельность человека иногда способствует нарушению температурного режима грунтов и деформации поверхности.

Так на территории распространения вечномерзлых грунтов возможны образования бугров пучения, наледей, солифлюкция, термокарст, которые приводят к деформациям зданий и сооружений.

Строительные характеристики вечномерзлых грунтов определяются мгновенной и длительной прочностью, сопротивляемостью резанию, температурой, мощностью, наличием линз льда, засоленностью и пр. Важной характеристикой является степень просадочности, определяемая величиной относительного сжатия при переходе грунта из мерзлого состояния в талое.

Характеристики грунтов

Сезоннооттаивающим называется поверхностный слой грунта, оттаивающий летом и промерзающий зимой до полного слияния с вечномерзлым грунтом. Сезонноперемерзающим называется поверхностный слой грунта, также оттаивающий летом и промерзающий зимой, но без слияния с толщей вечномерзлого грунта.

При проектировании фундаментов надо учитывать весьма малую насущную способность сильнольдистых и засоленных грунтов, а также грунтов с примесью растительных остатков, различаемых по степени заторфованности.

Вечномерзлые грунты по их температуре и степени цементации льдом подразделяются на: твердомерзлые, пластично-мерзлые, сыпучемерзлые.

К твердомерзлым относятся грунты, прочно сцементированные льдом и характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузками от зданий и сооружений.

К пластично-мерзлым относятся грунты, сцементированные льдом, но обладающие вязкими свойствами и характеризуемые сжимаемостью под нагрузками от здания и сооружения.

К сыпучемерзлым относятся грунты крупнообломочные и песчаные, не сцементированные льдом вследствие малой их влажности

Мерзлые крупнообломочные и трещиноватые скальные грунты, пустоты и поры которых заполнены льдом, а также выветрелые скальные грунты, сохранившие свою структуру, но содержащие замерзшую влагу, как правило, меняют свои прочные свойства и дают осадки при оттаивании, что должно определиться при взысканиях и учитывается при проектировании оснований и фундаментов на таких грунтах

Архитектура Севера

Проектируемые и строившиеся до настоящего времени города на Севере ориентированы в основном на утилитарно-бытовую и функционально-техническую стороны архитектуры, на ее экономическую эффективность, на удовлетворение разнообразных потребностей населения, улучшения условий труда, быта и отдыха, регламентируемых нормами.

Обособленность городской жилой застройки от неблагоприятного для человека природного окружения, утилитарная замкнутость, ограниченные и своеобразные технологические и конструктивные возможности и условия организации производства строительных работ, выбора строительных материалов и конструкций – слагаемые специфических объемно-планировочных и конструктивных решений, которые и являются сущностью северной архитектуры, качественно отличают ее от архитектуры, создаваемой в условиях благоприятного климата и больших технико-технологических возможностей. Однако в первую очередь архитектура должна отвечать объективной необходимости социальной жизни общества на современном историческом отрезке времени. Она должна соответствовать климатогеографическим условиям и иметь утилитарно-функциональную структуру – это ее биологический аспект, но в основе сущности архитектуры лежит ее социальное содержание, научно обоснованная социальная значимость. Архитектура как искусство всегда является выражением классовой идеологии в определенных социально-экономических условиях.

В связи с этим город на Севере рассматривается не просто как функциональный организм, существующий в конкретных социально-экономических условиях, но как материально, пространственно, композиционно и эстетически организованное единство, где ведущая роль отдается социальному фактору. Заботе о человеке в городе подчинено всё: экономика, биозащита, гигиена, комфорт, благоустройство, транспорт, эстетика и пр. , которые направлены на формирование и удовлетворение материальных и духовных потребностей человека, на сохранение его здоровья, рост благосостояния и культуры!

Деформация и долговечность зданий

Применение на Севере обычных конструктивных решений, практиковавшихся в прошлые годы, приводило к деформациям зданий, а иногда и к полному разрушению. Не только жилые здания, но и промышленные сооружения, дороги и мосты приходили в полную не годность. На восстановление тратились большие средства, равные подчас полной стоимости сооружения.

Основной причиной деформации объектов является длительное тепловое воздействие на грунт через цокольное перекрытие в зданиях без продуваемого подполья, а так же в результате эксплуатации здания, допускающей утечку горячей воды в основание фундаментов. Оттаивание грунта даже на отдельных участках приводит к осадке, перекосу конструкций, иногда к полному разрушению здания. В некоторых случаях разрушение вызвано действием сил пучения, обрушением термокарста, вытаиванием линз льда.

В последние годы в Норильске, Якутске, Магадане, Мирном после двадцати лет эксплуатации свайных фундаментов наблюдается деструкция бетона столбчатых и свайных фундаментов в пределах сезонного оттаивающего слоя грунта под зданиями с холодными продуваемыми подпольями. Восстановление фундаментов на 20% дороже строительства новых, к тому же строительный процесс проходит в трудных условиях.

Разрушение кирпичных стен вызывается недоучетом уязвимости конструкции к ветровым нагрузкам в период оттаивания раствора кирпичной кладки, выложенной в зимний период. Невыполнение отвода надмерзлотных и подмерзлотных вод, а период инженерной подготовки территории явилось причиной аварийного состояния пятиэтажного крупнопанельного жилого дома в Норильске, в основании которого образовался гидролокалит длиной 10 м вследствие скопления льда из-за строительства дороги, образовавшей плотину для ручья под домом. В результате всё здание было поднято на 12 см, раскрытие трещины составило 4-5см.

Как правило, деформации зданий и их элементов на Крайнем Севере объясняются недооценкой конкретной мерзлотно-грунтовой обстановки, неправильным выбора принципа использования грунтов в качестве основания, недооценкой изменения мерзлотно-грунтовых и гидрологических условий площадок в ходе строительства и эксплуатации, недоучетом морозостойкости материала фундаментов, а так же температурно-влажностных воздействий на них и пр.

Долговечность зданий в условиях Крайнего Севера находится в зависимости от точного знания всех особенностей климата конкретного района строительства и правильного учета их параметров при проектировании и строительстве. Основным климатическим воздействием, влияющим на долговечность конструкции является температура, учитываемая в расчете на термическое сопротивление ограждений.

На долговечность и эксплутационные качества конструкций оказывает большое влияние трещиностойкость материалов ограждающих конструкций, зависящая от прочности материала на растяжение, усадочных и деформативных свойств, толщины конструкции (от неё зависит перепад температуры и влажности в сечении), а также от материала фактурного слоя, его физико-механических и пластических характеристик. На фактурный слой непосредственно действуют все климатические факторы:

✓ Температура

✓ Ветер

✓ Солнечная радиация

✓ Атмосферная влага

Проектное предложение.

В нашем городе в настоящее время очень многие здания разобраны до основания фундаментов или снесены совсем. Внешний облик города от этого, конечно, выглядит не лучшим образом. Чтобы исправить сложившуюся ситуацию, мы предлагаем в центре четвертого микрорайона города Талнах построить на существующем фундаменте разобранного дома здание молодежного досугового центра. Такой выбор обоснован опросом жителей нашего города.

Место строительства - 4-й микрорайон города Талнах

Площадка строительства – существующий фундамент снесенного дома №8 по улице Бауманской.

Идея – строительство 2-3 этажного здания культурно–досугового центра.

Интерьеры нашего времени формируются на принципах, противоположных тем, на которых базировалась архитектура ХХ столетия. В своем проекте мы хотели бы создать интерьеры предельно рационалистические («строгие», «чистые», «умные»), либо предельно активные по эмоциональному воздействию на посетителя центра.

В планировочную схему центра заложена идея универсальности.

Учитывая пожелания жителей нашего города можно обустроить зал для игры в боулинг, кинозал и Интернет-кафе. Все помещения здания могут работать как независимо друг от друга, так и совместно. При этом необходимо особое внимание уделить качественной звукоизоляции каждого помещения.

Востребованность данного проекта объясняет его быструю самоокупаемость. Услуги предоставляемые центром будут платными, но для мало обеспеченных семей мы предполагаем наличие благотворительных сеансов, льготных абонементов и накопительной системы скидок.

Общественные здания, их расположение и связь с общей застройкой играют большую роль в композиции города. Наиболее значительные общественные здания, а наш центр является именно таким зданием, становятся доминирующими, во многом определяют силуэт, масштаб и всю архитектурную панораму микрорайона и даже города.

В результате было установлено следующее:

• Количество льда в вечномерзлых толщах разного типа неодинаково. Температура и мощность вечной мерзлоты – важнейшие характеристики, определяющие её устойчивость.

• При капитальном строительстве необходимо учитывать возможность протаивания мерзлоты и вспучивания грунтов под строительными объектами и при нарушении растительного покрова в процессе строительных работ.

• Существует реальная опасность, которую представляет таяние вечной мерзлоты для всей расположенной на Крайнем Севере промышленной и социальной инфраструктуры.

• Состояние грунтов оказывает значительное влияние на градостроительные и архитектурные решения.

• При выборе строительной площадки необходимо учитывать конкретные мерзлотно-грунтовые условия.

• Строительство молодежного культурно-досугового центра в нашем городе необходим.

Нам бы очень хотелось, чтобы данный проект заинтересовал местные власти, а также предпринимателей Большого Норильска.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)