23Надежная и безаварийная эксплуатация зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах в условиях изменения климатических параметров территорий Крайнего Севера Российской Федерации_
Рабинович Михаил Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры Механики грунтов и геотехники, НИУ МГСУ, rabinjv@gmail.com
Ожидаемое в следствии глобального изменения климата масштабное таяние многолетнемерзлых грунтов и арктических льдов, вне всякого сомнения, окажет в перспективе влияние на климатические параметры в результате поглощения-выделения большого количества скрытой теплоты льдообразования. В Арктической зоне РФ отмечаются более быстрые темпы роста температуры воздуха, количества осадков и частоты климатических аномалий и, как следствие этого, сокращение ледяного покрова океана и интенсификация процесса оттаивания многолетнемерзлых грунтов.
Необходима организация масштабного наблюдения за состоянием многолетнемерзлых грунтов на территориях населенных пунктов, разработка методики оценки реального влияния изменения климата на состояние вечной мерзлоты. Эта работа ведется сегодня на основе работы по договорам. Необходимо возрождение работы мерзлотной службы в крупных населенных пунктах, на их базе сбор и систематизация данных по техническому состоянию зданий и сооружения и температурному режиму грунтов оснований зданий и грунтов территорий прилегающих к ним.
Ключевые слова: территория Крайнего Севера, Арктической зоне РФ, климатические параметры, много-летнемерзлые грунты, эксплуатация зданий и сооружений
Климат Земли имеет свойство меняться со временем. Был период, когда нынешние многолетнемерзлые грунты сформировались и существуют в своем нынешнем состоянии в результате сложившихся благоприятных к тому климатических условий. В свою очередь существующий гигантский массив многолетнемерзлых грунтов стал одним из факторов влияющих на современный климат Земли. Ожидаемое в следствии глобального изменения климата масштабное таяние многолетнемерзлых грунтов и арктических льдов, вне всякого сомнения, окажет в перспективе влияние на климатические параметры в результате поглощения-выделения большого количества скрытой теплоты льдообразования.
В Арктической зоне РФ отмечаются более быстрые темпы роста температуры воздуха, количества осадков и частоты климатических аномалий и, как следствие этого, сокращение ледяного покрова океана и интенсификация процесса оттаивания многолетнемерзлых грунтов.
В Пятом докладе представленным МГЭИК, в котором даны общие оценки климатических изменений, и во Втором оценочном докладе Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, на тему изменений климата и их последствий для территорий Российской Федерации, были предъявлены современные прогнозы изменений климата. В этих докладах отмечено, что к 2100 году ожидается более высокие по сравнению с остальным миром темпы роста температуры атмосферного воздуха в Арктической зоне и эта разница оценивается в 2-2,5 раза. Такое явление получило
название полярное усиление глобального потепления и ожидается что будет происходить до начала ХХИ века. Наибольшая разница температур в зоне полярного усиления, будет наблюдаться в осенний период, когда темпы потепления воздуха в Арктике превысят общемировые показатели в 4 раза. В тоже время, осенний период является самым высокотемпературным для многолетнемерзлых грунтов и соответствует самой низкой несущей способности оснований зданий и сооружений возведенных на них [1].
Таяние многолетнемерзлых грунтов и сокращение ледяного покрова Северного Ледовитого океана также представляют весомые показателями результатов глобального потепления. Эти процессы в значительной степени влияют на окружающую среду, что приводит к изменению подходов ведения социально-экономической деятельности человека в Арктике. Растепление многолетнемерзлых грунтов и изменение мощности слоя сезонного промерзания-протаивания наблюдают с 1980-х годов на большей части площади российской Арктической зоны. Исследования климата, проводимые в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова показывают, что территории покрытые вечной мерзлотой в российской Арктике уменьшатся к 2050-м годам на четверть, а к концу века таких территорий останется всего половина. Отметим, что слой сезонного протаивания-промерзания не используется в качестве основания сооружения, но предопределяет глубину заложения фундаментов.
Практика проектирования на основе требований строительных нормативных документов предполагает два принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания сооружений [2]: с сохранение грунтов в мерзлом состоянии в течении всего срока строительства и эксплуатации (принцип I) и допущение оттаивания в предпостроичный период или в процессе эксплуатации сооружения (принцип II). Мерзлые грунты относятся к категории структурно неустойчивых грунтов, которые изменяют свои прочностные и деформационные свойства при изменении их температуры. Такое изменение происходит не только в точке фазового перехода воды в порах грунта, но и в спектре отрицательных температур в следствии изменения баланса незамершей воды и льда [3].
Принцип I предполагает сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии с целью использования высоких механических показателей именно мерзлых низкотемпературных грунтов, несущая способность фундаментов в которых достигается за счет смерзания боковой поверхности тела фундамента с вмещающими многолетне-мерзлыми грунтами. Инженерные расчеты лежащие в основе проектирования оснований и фундаментов опираются на статистические данные современного состояния климата и, по большому счету не предполагают учет перспективы глобального изменения климата. Так было до настоящего времени. Со второй половины 2021 года вступила в действие актуальная редакция СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» содержащая требования учета изменения климатических параметров, но, к сожалению, пока не содержащая конкретной методики этого учета. Это еще предстоит сделать в ближайшее время. Строительные нормы в части использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований сооружений обновлялись и совершенствовались каждое десятилетие, начиная с 50-х годов прошлого столетия. В результате обеспечивался учет в практике проектирования обобщенного опыта строительства и эксплуатации, а так же научных исследований.
Эксплуатируемый сегодня фонд капитальных зданий и сооружений возведен в соответствии с требованиями норм своего времени и частично исчерпал свой эксплуатационный ресурс в силу естественного износа. Добавим к этому далеко не высокий
уровень эксплуатации, негативное влияние на температурный режим грунтов основания аварийных утечек воды из инженерных коммуникаций, неправильная уборка снега, которая в период таяния обводняет конструкции нулевого цикла и так далее. В результате эксплуатационный ресурс зданий исчерпан в значительной степени и об этом говорят масштабы аварийности. При чем в наибольшей степени этому подвержены здания и сооружения возведенные в 1960-е и 1970-е годы.
Рис.1 Развитие трещин в результате проявления просадки оттаивающего грунта в основании здания в гор. Норильск
Существенным и проблемно прогнозируемым фактором, формирующим температурный режим грунтов оснований зданий и сооружений в условиях многолетне-мерзлых грунтов, являются аварийные утечки из инженерных коммуникаций. Вызванные такими авариями тепловые воздействия на термонапряженно-деформированное состояние оснований крайне негативно сказывается на эксплуатационной надежности зданий на вечной мерзлоте. Изменение климатических параметров усиливает этот процесс. Так по данным Федеральной службы государственной статистики в Республике Саха (Якутия) имеется высокий удельный вес аварийных зданий, доля которых в 2016 году составила 16,5% от общего числа капитальных зданий, возведенных на территории Республики. Основной причиной такого положения является систематические аварии инженерных коммуникаций, в том числе и в новом жилом фонде, которые, к сожалению, невозможно прогнозировать и даже предотвратить на весь жизненный цикл сооружения и, особенно, при эксплуатации и реконструкции аварийных зданий.
Рис.2. Последствие аварийной утечки из теплосети в проветриваемом подполье под зданием, возведенным по I принципу использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований.
Проведенный замер температур грунтов на территории города Якутска [4], показал, что повышение температур грунта многолетнемерзлой толщи отмечается даже в толще ниже верхней границы годовых нулевых амплитуд температур грунта, то есть зоны фоновых температур, где традиционно считается что температура в течении года остается неизменной. Результаты температурных наблюдений за грунтами оснований зданий, построенных до 1985 года, выполненными в период 20022010 гг [5], сопоставлены с данными, полученными в 2013-2016 гг.
Отмечается изменение температурного режима грунтов на глубине 10 м под отдельными капитальными объектами, возведенными по 1 принципу с проветриваемым подпольем. Объекты расположены в центре города на территории с возрастом застройки свыше 70 лет и температурой пород на глубине 10 м вне зданий и водных объектов, равной -2...-6,5°С. Наблюдается общая слабовыраженная тенденция к повышению температур многолетнемерзлых грунтов. Процесс интенсивного растепления оснований проявляется на объектах с длительной эксплуатацией, подвергшихся в большей степени аварийным воздействиям, возведенным без учета современных требований к материалам и конструированию нулевого цикла. Низкотемпературное поле (ниже -5°С) по площади простирания постепенно разрастается. Следует отметить, что в этом диапозоне температур наблюдается существенное потепление. При-
мерно такая же тенденция наблюдается в диапозоне температур -4...-2°С. Сокращаются площади простирания грунтов в высокотемпературном спектре отрицательных температур, имеющих температуру выше -2°С [5]. Это самый потенциально рискованный диапозон, т.к. грунт находится в состоянии, близком к переходу в талое состояние, в первую очередь от потепления климата. Другими словами, происходит перераспределение температур многолетнемерзлых грунтов на глубине годовых нулевых амплитуд между низкими и высокими значениями в сторону повышения. Следует отметить, что в поле зрения исследования попали, в основном, кварталы города с высокой степенью физического износа инженерных коммуникаций, проложенных в 197080-х годах, а значит, имеющих высокую вероятность возникновения техногенных аварий и внештатных ситуаций.
К сожалению, детальных системных материалов по теме формирования температурного режима территорий многоэтажной застройки в условиях криолитозоны в настоящий момент недостаточно для полноценного анализа и для разработки методики перспективного прогноза. Объективно большую роль вносят дополнительные факторы возникающие в результате аварий инженерных коммуникаций.
Оценка рисков глобального климатического потепления и активного техногенного воздействия на многолетнемерзлые грунты оснований зданий и сооружений на территориях капитальной застройки [5] свидетельствует о необходимости уточнения коэффициентов запаса при расчете фундаментов и разработке новых типов фундаментов, менее чувствительных к постепенным изменениям температур и свойств грунтов.
Тем не менее, выявлена общая тенденция повышения температур много-летнемерзлых грунтов в зоне годовых нулевых амплитуд на территории многоэтажной застройки города Якутска, что дает основание прогнозировать снижение несущей способности оснований сооружений в текущий момент и в ближайшей перспективе.
Нами проведен анализ изменения несущей способности фундаментов в следствии изменения климата. В качестве базового типа фундамента выбран свайный фундамент с проветриваемым подпольем, как массово используемым начиная с 1960-х годов. Предполагается два варианта развития ситуации, это полное оттаивание грунтов в зоне размещения свайных фундаментов и повышение температур мерзлых грунтов в спектре отрицательном спектре. В первом случае, свая коорди-нально меняет характер взаимодействия с вмещающим грунтом и теряет до 60% своей несущей способности. При повышении температуры мерзлых грунтов этот показатель изменяется от15 до 47 %% в зависимости от качества грунтов, длины сваи и способа её установки.
Таблица 1
Сравнительный анализ потери несущей способности сваи смерзания (длина 8 м, усредненные характеристики грунтов, характерных для арктической зоны РФ) в многолетнемерзлых грунтах при различных моделях изменения климата
Модель изменения климата Относительное значение несущей способности (%)
Сваи под серединой здания Сваи под краем здания
Базовая (СП) 100 100
Позитивная (CSM) 80 80
Умеренная (CGC) 70 60
Пессимистичная (ECH) 50 45
Вышесказанное означает, что требований действующего СП 25.13330 недостаточно для нормальной надежной эксплуатации оснований зданий и сооружений, что в будущем приведет к значительному материальному ущербу. Требуется проведение дополнительных изысканий в данном направлении и корректировка принципов проектирования, заложенных в указанном нормативном документе.
Одной из проблем является отсутствие специалистов строителей с мерзлотной подготовкой. Активное участие научных коллективов учебных заведений, в частности НИУ МГСУ, с привлечением к работе студентов, будет способствовать подготовке таких специалистов.
Мы впервые сталкиваемся с ситуацией воздействия столь глобального явления на объекты хозяйственной деятельности человека. Нам необходимо принимать решения по совершенствованию строительной деятельности.
Вызывающая опасения ситуация роста аварийности объектов экономической и оборонной инфраструктуры вследствие повышения температур и снижения несущей способности многолетнемерзлых грунтов, потребуют совершенствования организации сети комплексного геотехнического мониторинга эксплуатируемых зданий и сооружений [6].
Требует пересмотра принципиальный подход к нормированию климатических параметров для нужд проектирования зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах. Нужен краткосрочный и долгосрочный прогноз изменения климатических параметров в условиях глобального потепления для территорий распространения веч-номерзлых грунтов, прежде всего в Арктической зоне РФ.
Необходима организация масштабного наблюдения за состоянием многолетнемерзлых грунтов на территориях населенных пунктов, разработка методики оценки реального влияния изменения климата на состояние вечной мерзлоты. Эта работа ведется сегодня на основе работы по договорам. Необходимо возрождение работы мерзлотной службы в крупных населенных пунктах, на их базе сбор и систематизация данных по техническому состоянию зданий и сооружения и температурному режиму грунтов оснований зданий и грунтов территорий прилегающих к ним.
Литература
1. Kattsov V.M., Vavulin S.V., Govorkova V.A., Pavlova T.V. Scenarios of the Arctic climate changes in the twenty-first century. Russian Meteorology and Hydrology. 2003. № 10. С. 1-12.
2. СП 25.13330 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. СНиП 2.02.04-88 (актуальная версия)»
3. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М. Стройиздат.-1973 - 270с.
4. Набережный А.Д., Кузьмин Г.П., Посельский Ф.Ф. Анализ причин снижения несущей способности оснований и фундаментов в геокриологических условия Якутии // Промышленное и гражданское строительство. 2016, №8, С.52-58.
5. Technicheskiy otchet "Ocenka merzlotno-gruntovykh usloviy I deformaciy zdaniy goroda Yakutska" [Technical report: "Assessment of permafrost conditions and deformations of buildings in the city of Yakutsk"]. OJSC "YakutTISIZ" code 843/5549. 2010.
6. Чунюк Д.Ю. Управление рисками при решении геотехнических проблем строительства сооружений повышенной ответственности. Вестник МГСУ, 2009, № 1. С.522-525.
Reliable and trouble-free operation of buildings and structures on permafrost soils in the conditions of changing climatic parameters of the territories of the Far North of the Russian Federation Rabinovich M.V.
NRU MGSU
The large-scale thawing of permafrost soils and Arctic ice expected as a result of global climate change will undoubtedly have an impact on climatic parameters in the future as a result of the absorption and release of a large amount of latent heat of ice formation.
In the Arctic zone of the Russian Federation, there is a faster increase in air temperature, precipitation and the frequency of climatic anomalies and, as a result, a reduction in the ocean ice cover and an intensification of the thawing process of permafrost soils.
It is necessary to organize a large-scale monitoring of the state of permafrost soils in the territories of settlements, to develop a methodology for assessing the real impact of climate change on the state of permafrost. This work is being carried out today on the basis of work under contracts. It is necessary to revive the work of the permafrost service in large settlements, on their basis, the collection and systematization of data on the technical condition of buildings and structures and the temperature regime of soils of building foundations and soils of territories adjacent to them.
Keywords: the territory of the Far North, the Arctic zone of the Russian Federation, climatic parameters, permafrost soils, operation of buildings and structures
References
1. Kattsov V.M., Vavulin S.V., Govorkova V.A., Pavlova T.V. Scenarios of the Arctic climate changes in the twenty-first century. Russian Meteorology and Hydrology. 2003. No. 10. S. 1-12.
2. SP 25.13330 "Foundations and foundations on permafrost soils. SNiP 2.02.04-88 (current version)"
3. Tsytovich N.A. Mechanics of frozen soils. M. Stroyizdat.-1973 - 270s.
4. Naberezhny A.D., Kuzmin G.P., Poselsky F.F. Analysis of the reasons for the decrease in the bearing capacity of bases and foundations in the geocryological conditions of Yakutia // Industrial and civil construction. 2016, No. 8, P.52-58.
5. Technical report: "Assessment of permafrost conditions and deformations of buildings in the city of Yakutsk"]. JSC "YakutTISIZ" code 843/5549. 2010.
6. Chunyuk D.Yu. Risk management in solving geotechnical problems in the construction of structures of increased responsibility. Bulletin of MGSU, 2009, No. 1. S.522-525.
