Прочный фундамент. Эксперты обсудили перспективные методы строительства в зоне вечной мерзлоты
Тематическая сессия Фундаменты на ММГ и технологии термостабилизации прошла 21 ноября 2024 г. в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ).
Эксперты по обустройству инфраструктуры в зоне ММГ Газпромнефть-Заполярья и СПбПУ выступили в роли модераторов, а с докладами выступили как представители научного сообщества, так и компании-разработчики конкретных строительных решений, потенциально интересных для внедрения в арктическом регионе.
Экстремальные климатические условия, изменение температур и ограниченный период строительных работ в Арктике предъявляют специфические требования к материалам, технологиям и управлению процессами строительства. В этих условиях традиционные методы строительства часто оказываются недостаточно эффективными, что подчеркивает необходимость разработки специализированных подходов.
Уже не секрет, что в некоторых регионах вечная мерзлота начинает постепенно деградировать. При этом от сохранения нетающих толщ зависит устойчивость грунтов, на которых стоят здания и дороги. В этой связи строительство фундаментов в криолитозоне представляет собой ряд вызовов и технических сложностей, связанных с особыми свойствами многолетнемерзлых грунтов. Выбор типа фундамента должен осуществляться на основе тщательного анализа геологических, климатических и проектных данных. Кроме того, важно ответственно подходить к выбору мест под застройку, поскольку мерзлота может чередоваться с талыми участками.
Реализация масштабных проектов на Крайнем Севере один из главных векторов развития нефтегазовой отрасли. Непременным условием эффективной работы в этом регионе является сохранение его уникальной экосистемы. Наша конференция призвана не просто обобщить лучший отраслевой опыт, но и придать импульс разработке и внедрению передовых технологий для термостабилизации грунтов, повышения надежности фундаментов и конструкций. Газпромнефть-Заполярье ведет обустройство месторождений в Западной и Восточной Сибири, где толщина мерзлого грунта достигает полутора тысяч метров. Мы готовы делиться своими подходами и изучать отраслевые решения. Убежден, что такая совместная работа, в том числе на площадке конференции, способствует достижению стратегических целей отрасли, - рассказал генеральный директор Газпромнефть-Заполярья В. Крупеников.
В настоящее время на Крайнем Севере строят сооружения с вентилируемым подпольем на сваях, чтобы сохранить мерзлоту, однако все эксперты сходятся во мнении, что тепловой баланс поверхности меняется где-то происходит растепление многолетнемерзлых грунтов, где-то их переохлаждение. Поэтому фундамент на сваях не всегда оптимальное решение. Например, если такое здание поставить на талый участок, то сваи начнет выталкивать пучение из грунта из-за промерзания. Поэтому в некоторых случаях строить необходимо, например, без вентилируемого подполья или использовать так называемые легкие фундаменты либо вентилируемые блоки. Подход к каждому проекту должен быть индивидуальный.
Кроме того, для сохранения мерзлоты используют специальные сезонно-охлаждаемые установки (СОУ), замораживающие грунт и защищающие фундамент от деформации термостабилизаторы. Технология направлена на поддержание отрицательной температуры грунтовых оснований с целью обеспечения устойчивости расположенных на них сооружений. По сути, это целый комплекс мероприятий, который проводится после получения прогноза состояния грунтов на период эксплуатации объекта. Термостабилизация может быть применена на стадиях строительства, эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений. Например, в Газпромнефть-Заполярье и других компаниях активно применяются как горизонтальные, так и вертикальные термостабилизаторы для обеспечения устойчивости фундаментов и скважин.
В то же время термостабилизация имеет ряд недостатков, в числе которых необходимость значительных финансовых вложений, включая расходы на транспортировку оборудования, обеспечение безопасности и соблюдение экологических норм, а также отсутствие единых стандартов или методик проектирования и обустройства таких установок, что приводит к плохо прогнозируемой эффективности работы систем.
Начальник центра геокриологических и геотехнических исследований НИИОСП им. Н.М. Герсеванова к.т.н. А. Алексеев отметил, что для оптимизации процесса эксплуатации сооружений в криолитозоне в первую очередь необходимо сосредоточиться на актуализации нормативной базы. В частности, нужна разработка методов учета изменения климата при проектировании, а также разработка системы геотехнического мониторинга. Кроме того, по его словам, при строительстве объектов в зоне вечной мерзлоты необходимо рассматривать перспективные виды фундаментов, в основе которых винтовые сваи, буронабивные сваи, сваи, заполненные сыпучими материалами, конструкции из композитных материалов, а также деревянные свои (да-да, все новое это хорошо забытое старое).
Тему композитов раскрыл член объединения Товарищество сибирских геотехников к.т.н. М. Нуждин, который рассказал об экспериментальной методике усиления грунтового основания нагнетанием расширяющейся геополимерной смолы. Технология заключается в порционной закачке полимера под давлением в грунтовый массив, где он заполняет трещины и пустоты, а затем затвердевает. В результате происходит уплотнение грунта, вплоть до создания избыточного давления, т.е. вертикальной подъемной силы. Данная технология может быть использована в случаях, когда многолетнемерзлый грунт под зданием начал проседать, вследствие чего началась деформация фундамента, которую нужно остановить.
Доцент СПбПУ О. Швецов в свою очередь отметил, что, хотя в РФ освоено производство труб большого диаметра из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и эти наработки могут быть использованы для изготовления ПКМ-свай для многолетнемерзлых грунтов такие решения пока не применяются. Основными причинами, сдерживающими использование ПКМ при строительстве в криолитозоне, является отсутствие нормативно-технической документации, регламентирующей условия их применения, а также отсутствие поведенческой модели таких свай в сложных геолого-климатических условиях в ходе длительной эксплуатации.
Еще одна перспективная разработка для Крайнего Севера песчаное покрытие стальных свай для увеличения их несущей способности была предложена специалистами Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ). Технология интересна с точки зрения увеличения несущей способности грунтов, поскольку в зоне сезонного промерзания грунт слабее смерзается со сваей, за счет чего силы морозного пучения уменьшаются на 40%. Кроме того, данная технология дает возможность уменьшить длину самих свай за счет их лучшего сцепления с грунтом. Технология уже проходит опытную эксплуатацию на объектах Газпромнефть-Заполярья.
О повышении эффективности устройства монолитных фундаментов в условиях Крайнего Севера рассказал д.т.н, профессор Московского государственного строительного университета (НИУ МГСУ) Р. Самсонов. По его мнению, в зоне вечной мерзлоты возможно использование бетонных фундаментов, усиленных армпоясом. Армпояс это усиленная конструкция, представляющая собой непрерывный контур из арматурных элементов. Его основная функция заключается в обеспечении равномерного распределения нагрузок, повышении прочности и устойчивости фундамента к динамическим воздействиям, а также предотвращении деформации и осадок конструкции. При этом для обеспечения энергоэффективности такого здания необходимо качественное утепление, в т.ч. термоизоляция фундамента, утепление стен и крыши.
Это лишь часть перспективных разработок в сфере арктического строительства. В данной сфере есть большой простор для дальнейших научных изысканий. Учитывая тот факт, что госпрограммы по развитию Арктики предполагают строительство значительного числа объектов, а также восстановление существующей инфраструктуры диалог для дальнейшего развития этого направления необходим и в следующем году.