Как возводить постройки на многолетней мерзлоте кратко

Обновлено: 02.07.2024

Якутск — самый крупный город в зоне многолетней мерзлоты. Суровый климат вынуждает местных учёных и архитекторов придумывать нестандартные решения для комфортной и безопасной жизни. Главный архитектор Якутска Ирина Алексеева рассказала Strelka Mag о том, как строить на сваях, использовать национальные узоры в качестве подсветки и развивать общественные пространства при экстремальных температурах.

Ирина Алексеева / фото: Ольга Алексеенко

В Якутске все дома стоят на глубоко вбитых сваях, чтобы тепло от построек не подтапливало мерзлоту. Решая одну проблему, мы сталкиваемся с другой: как сделать вход в здание доступным, если он поднят на несколько метров от земли? Электрические подъёмники перестают работать на холоде. Пандусы — слишком массивные и тяжёлые, но ставят именно их, потому что при типовом строительстве никто не пытается изобрести новую удобную лестницу.

А ещё у Якутска, можно сказать, кишки наружу: все коммуникации проходят над землёй. И тонкие, и магистральные трубы под два метра диаметром. Так как это сфера ЖКХ, ни один дизайнер к оформлению труб руку не прикладывал. Сейчас хотя бы появились новые изоляционные материалы, а раньше они обматывались тряпками для утепления.

Коммуникации могли бы однажды стать элементом дизайна. Например, как в Центре Помпиду. Для этого нужно понимание проблемы и видение решения, а также деньги. Пока этим никто не занимается.

Сейчас мы благоустраиваем канал, который пролегает по центру Якутска. Вдоль него проложены магистральные сети, но мы не можем с ними ничего сделать или строить что-то рядом с ними, потому что это охранная зона. Под этим предлогом в этом месте даже мусор не убирают. Но ведь это часть инфраструктуры — там даже дети играют.

Некоторые изгибы труб, в местах, где они проходят по общественным пространствам, мы закрыли декоративными панелями. Было предложение сделать на трубах смотровые площадки, но сетевики сказали, что это небезопасно.

Задача якутских архитекторов в том, чтобы связать все эти, казалось бы, случайные элементы в инфраструктуре города.

Слишком холодно для машин

Зимой машины у нас практически не ездят: оставить автомобиль на улице невозможно, иначе уже через полчаса его придётся размораживать. Кто-то использует утеплённые чехлы, но они работают только при – 30 °C, ниже уже бесполезно. Некоторые просто не выключают двигатели. Самое логичное — заморозить автомобиль и пересесть в такси: это выгоднее, чем тратить бензин на прогрев своей машины.

Из-за вечной мерзлоты у нас нет подземных парковок. Это большая проблема, так как для наземных места мало. Поэтому мы рекомендуем застройщикам надземные решения, которые и прорабатываем.

Строительство зданий возможно производить при любых климатических условиях, но у каждой природно-климатической зоны есть свои особенности, поэтому и строить на вечной мерзлоте приходится по-особенному. Здесь вы можете увидеть привычные нам и бараки, и пятиэтажки, и высотки, но с очень примечательным признаком.

Область вечной мерзлоты занимает около двух третей площади нашей страны. Здесь прокладывают дороги, возводят заводы, шахты и целые города.

Я всегда думал, что вечная мерзлота на самом деле вечная и как раз идеальный фундамент для строительства. Но не все так просто, дело в том, что первые метр-два почвы оттаивают летом от солнца и могут превратиться в жидкое месиво.

В итоге на севере применяются два варианта постройки домов, которые решают основную задачу - не дать теплу от дома подогревать фундамент под самим домом.

Первый вариант - непосредственно на самом грунте, в этом случае необходима высокая теплоизоляция между домом и почвой, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.

Второй вариант на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием, обеспечивая естественную вентиляция мерзлой поверхности

Также в Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Их и сейчас много там. Но вот с многоэтажками все намного сложнее.

Существует множество видов свай, но самая популярная - буронабивная, когда специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, а в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном.

Чаще всего пространство под домом остается закрытым, но встречаются и варианты, когда их закрывают решетками. Видимо, чтобы никто не лазил.

Также для борьбы с ветром кварталы северных городов строили замкнутым контуром и узкими разрывами между домами, благодаря чему получалось снижать скорость ветра и минимизировать его внутри кварталов.

Для сохранения в мерзлом состоянии грунтов в свайном основании иногда применяют капсулированные трубчатые погружные жидкостные либо парожидкостные устройства –термостабилизаторы, которые помещают в специальные скважины, пробуренные рядом с опорным фундаментом для создания холодного экрана. Выглядит это вот так

Интересно происходит и прокладка коммуникаций. Трубы прокладывают либо поверху, либо укладывают в несколько раз глубже под землю, чем в обычных районах. Здесь на фото видно, как труба проходит на высоте примерно 1.5 метров над землей.

Мерзлота впервые была описана ещё русскими землепроходцами Сибири, а её систематическое изучение началось с 90-х годов XIX века, в связи со строительством железных дорог. При Русском географическом обществе в Петербурге тогда же была создана комиссия для изучения мёрзлых пород, куда входили И.В. Мушкетов, А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Рыкачев, К.И. Богданович. В 1929 г. по инициативе М.И. Сумгина и при поддержке В.И. Вернадского в Академии наук СССР была организована Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством В.А. Обручева, а в 1939 г. – на её базе Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева АН СССР в Москве, который включал мерзлотные станции в Арктике и Сибири.

В России общая площадь районов распространения вечной мерзлоты равна примерно 10,7 млн. км 2 , что составляет около 65% территории страны. В зависимости от степени распространения мерзлоты, различают области сплошного (более 90% площади), прерывистого (50% - 90%) и островного (10% - 50%) её распространения. В этих районах сосредоточено более 80% разведанных запасов нефти, около 70% природного газа, много других ценных ресурсов.

При освоении территорий с вечной мерзлотой возникают различные воздействия на окружающую среду и здания и инженерные сооружения. Во-первых, обычно происходит масштабное воздействие на природные условия в целом, изменяющие микроклимат, растительный покров, режим поверхностных и подземных вод, влажность и состав слоя сезонного протаивания и другие. Это приводит к изменению температур горных пород, глубины оттаивающего летом слоя, положения кровли и подошвы мерзлоты. Изменяются гидрологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, биосфера региона. Таким образом, возводить здания и инженерные сооружения приходится в иной обстановке, чем та, что была до возникновения нарушений, при проведении инженерных изысканий для строительства. Это необходимо учитывать, выполняя прогноз мерзлотных условий района освоения. Во-вторых, различные виды хозяйственного освоения территорий криолитозоны при различных видах строительства (гражданского, промышленного, линейного, гидротехнического) – для целей горнодобывающей промышленности и подземного строительства, развития сельского хозяйства – подразумевают различные виды воздействия на мёрзлые породы и, соответственно, различную их реакцию, что также необходимо учитывать при прогнозе мерзлотных условий. Такой мерзлотный прогноз выполняется на основе инженерных изысканий и научно-исследовательских работ, включающих оценку существующих условий на территории, возможных техногенных воздействий, тепловые расчёты и моделирование температурного режима горных пород, разработку защитных и природоохранных мероприятий. Это нужно выполнять ещё до начала капитального строительства.

Первые сведения об способах возведения сооружений на вечной мерзлоте приведены в 1876 г. в работе инженера И.А. Лопатина, а затем этот вопрос был изучен профессором Николаевской инженерной академии В.П. Стаценко в 1922 г., который и предложил впервые для сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии устраивать проветриваемые подполья. Что касается свай, то ещё в 1907 г. Н.А. Белелюбский применил их при сооружении моста на Екатерининской железной дороге. Эффективный способ изготовления бетонных свай был предложен русским инженером А.Э. Страусом – так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись непосредственно в буровой скважине, в том числе с арматурным каркасом. Сваи Страуса получили распространение в том числе за границей и применяются до сих пор. Сегодня на таких сваях построено, и продолжает строиться значительное количество инженерных сооружений в китайском Тибете.

Первые сваи при возведении зданий на вечномёрзлых грунтах применили строители Воркуты в 1937 г. В 40-е годы их стали использовать в Якутске под руководством Е.Л. Жорницкого, а в 50-е гг. в Норильском промышленном районе под руководством инженера М.В. Кима, бывшего заключённого Норильлага, изучавшего свойства вечной мерзлоты с 30-х годов и получившего впоследствии за жилищное строительство в Норильске Ленинскую премию. Затем В.К. Дмоховский, генерал-майор инженерно-технической службы (1943 год) показал, что винтовые сваи имеют преимущество в применении перед забивными при необходимости устройства фундамента в условиях вечной мерзлоты.

Сегодня сваи применяются и на магистральных трубопроводах на территории Сибири и в Северной Америке. На территории распространения мерзлоты допускается применение трёх видов прокладки: подземной, наземной в насыпи и надземной.

Однако наземный способ прокладки трубопроводов часто не реализуется из-за высокого риска отказов, прежде всего из-за оттаивания в летнее время, которое приводит к погружению трубопровода. С другой стороны, для нефтепроводов часто другой вариант невозможен, из-за высокой температуры нефти и возможности оттаивания мерзлоты. Поэтому их устанавливают на сваи, как большую часть Трансаляскинского нефтепровода в США. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонноталого слоя применяют установку термостабилизаторов – сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Термосифоны охлаждают сваи, поддерживающие надземный трубопровод Транс-Аляска к северу от реки Юкон. © S.A. Harris

Технологии совершенствуются и в строительстве, изменяется материал свай, его шероховатость, конструкции, способы установки, но принцип, так называемый I принцип строительства на вечномерзлых грунтах, в большинстве случаев остаётся – сохранение грунтов в мёрзлом состоянии. Впрочем, обеспечить мерзлое состояние оснований бывает сложным делом, особенно на территории застройки, если наблюдается снегонакопление или нарушение поверхностного стока.

Здание на железобетонных сваях, построенное по I принципу строительства, с сохранением мёрзлого основания и проветриваемым подпольем, в зоне сплошного распространения многолетнемёрзлых пород в п. Харасавэй, полуостров Ямал. © A. Осокин

Впрочем, иногда может применяться и II принцип – с предварительным оттаиванием, например, если по прогнозу мерзлота рано или поздно оттает, следовательно, лучше это каким-то образом сделать ещё до строительства, или даже в процессе эксплуатации, если здание допускает деформации, и в этом случае основание также будет устойчивым. Необходимо быть осторожным при использовании этого принципа, осадки грунтов при оттаивании могут быть неожиданно велики, а их прогноз непрост.

Таким образом, главное при строительстве на вечной мерзлоте -- во-первых, прогноз мерзлотных условий при освоении территории. Мы должны знать, что может произойти с мерзлотой при строительстве и нарушении природной среды, как изменится положение её кровли и подошвы, слой сезонного оттаивания, влажность грунтов, какие процессы могут развиваться – пучение, термокарст, термоэрозия. При этом необходимо учитывать и динамику климата, в частности, происходящее в настоящее время глобальное повышение температур воздуха, особенно выраженное в криолитозоне. Во-вторых, необходимо принять решение, по какому принципу строительства мы будем возводить здания и инженерные сооружения, что будет более экономически оправданно и безопасно. Если температуры низки, а мерзлота содержит значительное количество льда, предпочтительнее, как правило, I принцип, то есть сохранение мерзлого состояния грунтов. В этом случае принимаются меры по предотвращению попадания в мерзлоту тепла, устраиваются проветриваемые подполья, используются холодные трубопроводы, применяются термостабилизаторы.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Looking at the map of the Krasnoyarsk area, one can notice that our northern land is endless and … empty. In Evenkiya and at Taimyr the occupancy rate is only 0.03-0.06 people for square kilometer. Nevertheless, this severe land, the extremely Northern one (the Taimyr peninsula owns the northernmost point of the Eurasia), is successfully explored.

Если посмотреть по карте Красноярского края на наши северные пространства, они необозримы… и пустынны! В Эвенкии и на Таймыре показатель населенности составляет всего лишь 0,03-0,06 человека на квадратный километр. И все же эта суровая земля, крайне далекий север (на полуострове Таймыр расположена самая северная точка евразийского континента) сегодня успешно осваивается человеком.

Область вечной мерзлоты, которая занимает две трети площади нашей страны, называют стратегическим тылом России, ее кладовыми, топливно-энергетической базой и валютным цехом. Здесь работают комбинаты, шахты и карьеры, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом.

О том, как возводят здания на северных территориях, об особенностях заполярных сооружений и роли энергосберегающих технологий в условиях сурового климата мы побеседовали с заместителем первого проректора СФУ по науке и международному сотрудничеству, доктором технических наук, профессором Рашитом Назировым(Р.Н.) и доктором технических наук, профессором, советником Российской академии архитектуры и строительных наук и преподавателем кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий Юрием Гончаровым(Ю.Г.), принимавшим непосредственное участие в строительстве домов Заполярья.

Город на краю Земли

— Рашит Анварович, Юрий Михайлович, можно ли выделить особые принципы строительства в условиях Севера?

— Например, строить на сваях?

Р.Н.: Да. Хотя сегодня на Севере применяются два варианта возведения фундаментов: не только на сваях, когда создается зазор между грунтом и основанием и обеспечивается естественная вентиляция мерзлой поверхности, но и непосредственно на грунте. В последнем случае необходима высокая теплоизоляция, которая позволит сохранять грунт в естественном состоянии.

Ю.Г.: Надо сказать, что сегодня достижения науки позволяют строить дома в любых условиях, даже на льдах. Существует множество видов свай, например, буронабивные — одна из ведущих разработок красноярских ученых. Согласно этой технологии специальная буровая установка высверливает в мерзлоте отверстие, в скважину опускается арматурный каркас и заливается бетоном. Сегодня при строительстве используют бетоны специальных составов, с присадками, которые не успевают замерзнуть в процессе заливки. Если раньше при установке свай грунт оттаивали паром в течение нескольких месяцев, то бурение позволило в разы ускорить этот процесс.

— Кто и когда впервые применил свайные технологии строительства на Севере?

Ю.Г.: В Якутии деревянные дома давно уже устанавливали на деревянных чурбанах. Но применение свай при возведении крупнопанельных домов — это изобретение 60-х годов прошлого века. Автором этого способа строительства фундаментов был инженер-строитель Михаил Ким, один из бывших заключенных Норильлага, который изучал свойства вечной мерзлоты еще с 30-х годов.

— А как в вечной мерзлоте решается проблема коммуникаций?

Ю.Г.: В небольших северных посёлках их прокладывают поверху, а вот в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м — в три раза глубже, чем в Красноярске. Коллекторы проходят в отдалении от домов, чтобы уберечь от тепла мерзлые грунты под зданиями. А дорогу, под которой проведены коммуникации, чистят от снега особенно тщательно, чтобы ветер остужал землю.

Строительство города Норильск, 1980-е гг.

— Кстати, о сильных ветрах Норильска. Можно ли бороться с этой стихией градостроительными методами?

Ю.Г.: Сильные ветры и частые метели — это еще одна особенность северного климата, с которой сталкиваются проектировщики и строители. На Таймыре, в Норильске крайне тяжелые погодные условия. Скорость ветра в один метр в секунду, по ощущениям человека, понижает температуру воздуха на два градуса. Например, когда температура - 400 и дует ветер в 18 м/с, мороз получается на уровне — 800! Местный климат по жесткости уступает только антарктическому. Для борьбы с ветром норильские кварталы строили замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между домами, компактно. Благодаря этому получалось снижать скорость ветра. Фасады и крыши заполярных домов отличаются ровными линиями и простыми профилями — это служит профилактике снежных заносов.

— Какие именно научные учреждения занимались вопросами северного строительства?

Ю.Г.: Большие масштабы строек на Севере в трудных погодных условиях требовали постоянных научных разработок. Еще в 1957 году была организована Якутская комплексная научно-исследовательская станция — специально для изучения строительных технологий, разработки норм и инструкций, накопления опыта работы в мерзлотных условиях. Была в Якутии создана и лаборатория технологии стройматериалов. В 1962 году обе эти организации объединились в Якутский отдел Красноярского НИИ по строительству Академии строительства и архитектуры СССР. Мне довелось несколько лет возглавлять его. Впоследствии Красноярский НИИ по строительству был переименован в ПромстройНИИпроект, где, без преувеличения, объединились лучшие силы страны в области заполярного строительства. Наши научные разработки востребованы до сих пор!

P.Н.: К сожалению, надо признать, что сегодня в вопросе возведения зданий на северных территориях во многом утрачена преемственность поколений. Очень немногие люди по-настоящему владеют практикой подобного строительства. Организации, которые ведут работы сегодня, строят по СНиПам, разработанным еще в советское время. А вот новых научных и теоретических разработок почти не ведется. Часто проект делает организация, которая имеет об объекте весьма смутное представление.

— Как активно идёт строительство на Севере в наши дни? Народ сейчас оттуда скорее уезжает…

Р.Н.: Динамика строительства городов на вечной мерзлоте будет расти благодаря разработкам новых месторождений на севере края. Например, освоение Ванкорского месторождения способствует развитию Игарки. Всего один факт: пассажиропоток в городе за последние полтора года увеличился почти в три раза! В связи с проектами освоения Нижнего Приангарья активно развиваются Богучаны… Это, безусловно, положительные моменты.

Точка отсчета

Р.Н.: Все началось с энергетического кризиса 70-х годов. Но если вспомнить, нефть тогда стоила 17 долларов за баррель. Сейчас — около 80-100. И эта цифра будет только расти. В США, например, проблему энергосбережения рассматривают в числе основных, ее решение способствует обеспечению национальной безопасности. Несмотря на все меры по сбережению энергии, ее потребление, скажем, в жилищно-коммунальной сфере, будет увеличиваться на 1,5 – 2% ежегодно, причем в структуре потребления энергоносителей, по западной статистике, снизится доля потребления нефти, а использование энергии, вырабатываемой ГЭС и АЭС, останется примерно на прежнем уровне.

— Есть ли такие прогнозы в России?

Р.Н.: Должны быть, но они пока не стали всеобщим достоянием. Разработка программ по энергосбережению ведется на всех уровнях: федеральном, региональном, муниципальном. Уже с 1 января 2010 года вступили в силу требования Закона об обеспечении снижения потребления энергии и воды в государственных или муниципальных организациях. А до 1 января 2011 года органы государственной власти и местного самоуправления должны обеспечить завершение мероприятий по оснащению зданий, строений, сооружений приборами учета потребляемой воды, природного газа, тепловой и электрической энергии.

— В чем именно заключаются энергосберегающие технологии?

Р.Н.: Это, во-первых, автоматическое регулирование теплового режима зданий и применение альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, тепловые насосы и др.). Если взять административно-бытовые здания, то в нерабочие часы и дни, например, можно экономить на их освещении и отоплении. Во-вторых, это использование нового техрегламента по освещению с отказом от традиционных ламп накаливания — оно позволит сэкономить до 40% электроэнергии. В-третьих, утилизация тепла. Мы впустую тратим тепло, сливая горячую воду в канализацию. По строительным нормам в большей части помещений должен быть обеспечен один воздухообмен в час, а это значит, зимой нужно нагреть воздух, к примеру, от минус 40 до 21 градуса. Принимая во внимание объем здания, можно представить, сколько требуется энергии только на отопление. Эту тепловую энергию можно использовать. Если будет реализовано все, что предписывает закон, в ближайшие 2-5 лет можно будет сэкономить (по разным оценкам) от 15 до 40% энергии.

Продиктовано Севером

— Есть ли конкретные мероприятия по энергосбережению для районов Крайнего Севера?

Р.Н.: Все перечисленное имеет прямое отношение к северным территориям. Ну а в связи с тем, что Север потребляет намного больше энергии, мероприятия по ее экономии здесь приобретают еще большее значение. Например, расчетная температура при проектировании зданий в Москве — минус 28, в Красноярске — а это еще не север — показатель уже минус 40, в Богучанах дома строят, рассчитывая на минус 46, в Игарке — на минус 49, в Эвенкии — минус 55. Этот показатель рассчитывается по средней температуре самой холодной пятидневки. Помимо этого существует такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода, показывающая длительность отопительного периода и его среднюю температуру. Так вот, если для Москвы этот показатель составляет 4943 градусо-суток, то в Красноярске он равен 6575, а в поселке Ессей — 11532, почти в три раза больше, чем в столице.

— Как тогда там сэкономить?

— Как, по-вашему, стоит ли вообще жить на Севере? Не проще ли добывать полезные ископаемые вахтовым методом, как это уже практикуется сегодня?

Р.Н.: Надо использовать имеющийся у нас уникальный опыт возведения городов на Крайнем Севере. Университет может предложить комплексные решения всех основных проблем Заполярья, тем самым улучшая жизнь северян. На севере Сибири есть все полезные ископаемые, необходимые человеку. Глубокое освоение этих территорий неизбежно. И мы должны быть готовы к этому.

Читайте также: