CC BY
99ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ ОСТРОВНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЕЧНОМЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Сергей Александрович Гулый,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, и. о. начальника Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции ФГБУН Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (СВНИМС ИМЗ СО РАН), г. Магадан
Владимир Петрович Власов,
кандидат технических наук, Политехнический институт СевероВосточного государственного
университета, ведущий научный сотрудник СВНИМС ИМЗ СО РАН, г. Магадан
Начавшееся в 2018 г. строительство зданий и сооружений в рамках реконструкции аэропортового комплекса «Сокол» (г Магадан) выявило недостаточную информированность проектных организаций о методах подготовки грунтов основания и способах строительства фундаментов, успешно применявшихся в 1980-2000 гг. в условиях островного распространения мёрзлых грунтов. Отсутствие этой информации привело к серьёзным ошибкам в проектировании [1], которые хотя и поддаются исправлению, но требуют дополнительных финансовых вложений, разработки и реализации новых требований в обслуживании зданий.
Так как сегодня в г Магадане нет проектных организаций, которые были бы хорошо знакомы с принципами строительства в указанных выше мерзлотно-грунтовых условиях, то, вероятнее всего, планируемое в ближайшем будущем проектирование нового городского аэропорта, расположенного в пос. Сокол, будет осуществляться либо назначенными ведомственными организациями, либо фирмами, выигравшими конкурс по федеральным законам 44-ФЗ или 223-Ф3.
Чтобы не допустить повторения ошибок в будущем, считаем весьма важным показать, как происходила эволюция типов и конструкций фундаментов в г Магадане, напомнить о результатах, которые были получены, указать на особо опасные для строительства виды грунтов на территории аэропорта «Сокол», где сейчас ведётся активное строительство, объяснить причины неудачного строительства на них и предложить варианты, которые в будущем проектировании обеспечат гарантию безаварийной эксплуатации зданий.
С. А. Гулый, В. П. Власов DOI: 10.24411/1728-516Х-2019-10002
Подобный анализ и вытекающие из него выводы и предложения будут полезны не только при проектировании и строительстве зданий в Магадане, но и в Якутии, в частности, в её южный районах, где развиты много-летнемёрзлые породы прерывистого и островного типов, а также на намывных территориях г. Якутска.
Магадан (и входящие в его состав посёлки Сокол и Уптар) - один из немногих городов, расположенных в зоне многолетних мёрзлых пород, где в настоящее время практически полностью отсутствуют здания и сооружения, подвергающиеся деформациям из-за осадок мёрзлого грунта. Чтобы достичь подобного результата, учёные, проектировщики и строители г Магадана прошли долгий путь проб и ошибок. Город начал строиться в 1930-х годах, но только в начале 1980-х годов было определено, на каких грунтах и в каких мерзлотных условиях следует применять тот или иной фундамент, который сможет обеспечить полную надёжность и устойчивость зданий.
Строительство капитальных каменных зданий в г Магадане началось в 1930-х годах. Практически сразу стало ясно, что причинами деформаций зданий являются неравномерные осадки, вызванные оттаиванием сильнольдистых мёрзлых грунтов. Ни плитный, ни тем более столбчатый и ленточный фундаменты, запроектированные по второму принципу (с допущением оттаивания мёрзлых грунтов в процессе строительства и эксплуатации зданий), неравномерных осадок не выдерживали. Поскольку территория г. Магадана характеризуется островным распространением высокотемпературных мёрзлых грунтов, имеющих температуру от -0,5 до -0,1 °С, то и
Рис. 1. Здание Магаданского Дворца спорта, построенного в 1955 г., имеющего глубину заложения фундаментов, сопоставимую с высотой его надземной части
замораживание грунтов не обеспечивало их надёжности. Островная мерзлота залегает в пределах города на глубинах 10-15 м. Для того, чтобы устранить причину возможной осадки, было принято очень простое решение - просадочные при оттаивании мёрзлые грунты стали механически удалять. В связи с этим глубина заложения фундамента большинства зданий в г Магадане, построенных в 1940-1950 гг., была сопоставима с высотой их надземной части (рис. 1).
Такой метод строительства зданий, хотя и гарантирует их надёжность, но является очень затратным. Большие надежды возлагались на метод предпостроечного оттаивания грунтов. Энтузиастом этого метода в г. Магадане был Т. А. Айдла [2, 3]. Однако и он был вынужден признать ограниченную область применения предпостроечного оттаивания. Если крупнообломочные грунты, распученные льдом, после оттаивания могли очень быстро самоуплотняться [4], то в глинистых мёрзлых грунтах осадка при их оттаивании и консолидация растягивались на месяцы и даже годы. Это, в свою очередь, вызывало большие перерывы в строительстве между предпо-строечным оттаиванием грунтов и возведением фундаментов. Кроме того, как отмечал А. И. Калабин, «можно считать, что на мощных суглинистых, пылевато-илистых и других мелкоземистых отложениях, которые на Северо-Востоке, как правило, переувлажнены (сильно льдонасыщены) и после оттаивания превращаются в грунтовую массу (плывуны), практически трудно обезвоживаемую и уплотняемую, строительство всех сооружений должно вестись по методу строгого сохранения этих грунтов в мёрзлом состоянии» [5]. О том, что эти грунты можно использовать только по первому принципу (с сохранением грунтов в мёрзлом состоянии на период строительства и эксплуатации), с А. И. Калабиным ещё можно было бы поспорить, но выполнить обезвоживание этих грунтов после их оттаивания, например, с помощью электроосмоса, невозможно, и это сомнению не подлежит.
Рис. 2. Использование парооттайки мёрзлых грунтов при разработке котлованов в 1960-е годы (г. Магадан)
В конце концов, от этого способа полностью отказались, применяя для разработки котлованов пожоги мёрзлого грунта, парооттайку (рис. 2) либо механическое разрыхление мёрзлых грунтов клин-бабой или мощной бульдозерной техникой.
В дальнейшем в г. Магадане отказались не только от предпостроечной подготовки грунтов в котлованах, но и от других типов фундаментов, если предполагалось строительство на мёрзлых льдистых грунтах. Оказалось, что с помощью свай [6-8] можно легко прорезать слой просадочных при оттаивании мёрзлых грунтов и опираться на талые или непросадочные при оттаивании мёрзлые грунты [9-11]. Основные виды применявшихся свайных фундаментов - это буродо-бивные (рис. 3; 4, а) и буроопускные комбинированные
Рис. 3. Забивка свай дизель-молотом с забоя скважин в г. Магадане
а 1 г
Рис. 4. Основные схемы, применяющиеся для устройства фундаментов в г. Магадане:
а - буродобивные сваи; б - комбинированные сваи
(рис. 4, б). Исключение составляли те территории, где расположены только талые грунты. Там успешно применялись и до сих пор применяются обычные столбчатые и ленточные фундаменты.
Массовое применение в г. Магадане свайных фундаментов в 1975-1990 гг. позволило полностью устранить проблемы надёжности и устойчивости фундаментов. Сегодня в городе нет ни одного деформирующегося здания!
К сожалению, при современном проектировании зданий и сооружений на территории городского округа «Город Магадан» (куда входит и пос. Сокол) имеющейся опыт строительства учитывался не всегда. Винтовые сваи, плитный фундамент, вмороженные сваи, возвращение к предварительному оттаиванию грунтов, плит-но-свайный фундамент - это то, что проектировщики пытались внедрить на нашей территории в 2000-е годы, но это оказалось бесцельной тратой времени и денег.
В пос. Сокол в ближайшем будущем намечается строительство нового аэропорта г. Магадана, поэтому рассмотрим проблемы, с которыми столкнутся проектировщики и строители в этих условиях.
Ещё в 1957 г., когда только началось проектирование аэропорта в районе пос. Сокол для приёма больших самолётов, стало ясно, что геологические и геокриологические условия территории, на которой он будет расположен, создадут много проблем. Основная из них состояла и состоит в том, что в геокриологическом отношении эта территория характеризуется островным (линзовым) залеганием многолетнемёрзлых пород среди талых грунтов. Температура мёрзлых пород колеблется от 0 до -1,5 °С. Размеры изолированных линз и островов многолетнемёрзлых пород в плане весьма различны, а их мощность изменяется от 1 до 15 м. Среди талых грунтов имеются перелетки (маломощные мёрзлые толщи, существующие более одного года) на глубинах 3-5 м, причём участки с перелетками встречаются чаще, чем острова многолетней мерзлоты. Площадь перелетков значительно больше площади островов и линз много-летнемёрзлых грунтов.
Глубина сезонного промерзания грунтов из-за низких зимних температур воздуха, характерных для кон-
тинентальной части территории Магаданской области, здесь варьирует от 2,5 до 3,5 м, но иногда достигает 4,5-5,0 м. Породы сезонно-мёрзлого слоя, как правило, обладают пучинистыми свойствами при промерзании. Криогенная текстура многолетнемёрзлых пород, в основном, массивная, но имеются участки со слоистой и сетчатой криотекстурой. В этих грунтах встречаются линзы и ледяные прослойки толщиной 1, 2, 5 и даже 10 см (рис. 5), а в отдельных случаях - большие прослои льда, достигающие мощности 1,5-2,3 м.
Другой проблемой, по данным многочисленных инженерно-геологических изысканий, является то, что сильнольдистые мёрзлые дресвяные и гравелистые суглинки и супеси, превращающиеся после оттаивания в «плывуны», распространены на всей территории аэропорта «Сокол» [5]. Поэтому выглядит очень странным, что проектировщики, разработавшие проекты зданий в 2016 г. на этих грунтах на столбчатом фундаменте с предварительным оттаиванием лишь верхней толщи этих грунтов, ничего не знали ни об истории
Рис. 5. Линза льда толщиной 10 см в керне мёрзлых суглинков гравелистых, обнаруженная
при проведении инженерных изысканий на территории аэропорта «Сокол» в марте 2019 г.
строительства г Магадана, ни о случаях, хоть и немногочисленных, деформаций зданий на территории аэропорта «Сокол».
Приведём примеры деформаций зданий и аэропорта, возведённых на этих же грунтах на столбчатых и ленточных фундаментах в 1960-1970-х годах. Из заключения о техническом состоянии четырёх сооружений аэропорта (здания передающего радиоцентра, ремонтно-эксплуатационных мастерских, пакгауза на 120 т, очистных сооружений), разработанном сотрудниками МКНИО Дальневосточного ПростройНИИпроекта [12] в 1980 г, следует, что спустя 7-10 лет после ввода в эксплуатацию эти здания подверглись сильнейшим деформациям из-за неравномерных осадок оттаивавшего грунтового основания.
По этой же причине в начале 1990-х годов пришло в аварийное состояние здание стартовой аварийно-спасательной станции, имевшей 0,5 м плитный фундамент и теплоизоляционный слой из керамзита и гравия толщиной 0,5 м [13]. Запроектировано и построено оно было по первому принципу (рис. 6). Однако теплоизоляционный слой в полной мере не предохранил льдо-насыщенные супеси гравелистые, находящиеся на глубине 6 м от подошвы фундамента, от оттаивания, а только замедлил этот процесс. После того, как подача тепла в здание была прекращена, деформации стабилизировались. В настоящее время здание частично демонтировано.
Приведённые примеры показывают, что уже к концу 1980-х годов было получено достаточно доказательств
Рис. 6. Литологический разрез грунтов под плитным фундаментом Аварийно-спасательной станции (1990 г.):
1 - насыпной грунт сезонно-мёрзлого слоя (индекс «т» - талые грунты, «м» - мёрзлые); 2 - супесь гравелистая; 3 - гравийный грунт с супесчаным заполнителем, сильнольдистые грунты обнаружены на глубинах 6-12 м
того, что на территории аэропорта «Сокол» и в г. Магадане не обойтись без использования свайных фундаментов. Но оказывается, что даже при идеальном проектировании (использовании свай в талых грунтах) нет гарантий, что здания в дальнейшем не подвергнутся деформациям. Причиной деформаций может стать не только неудачный выбор типа фундаментов, но и незапланированные в проекте производства работ перерывы в период возведения фундаментов. Это, в свою очередь, может привести к новообразованию мёрзлых перелетков и многолетнемёрзлых пород под зданиями и к выпучиванию свай.
Таким примером может служить здание аэровокзала г. Магадана, возведённого на свайном фундаменте на талых грунтах. Здание состоит из трёх частей, построенных в разное время: основной пассажирский терминал, пристройка международного зала ожидания и накопитель.
Первые два представляют собой сооружения ан-тресольно-павильонного типа и состоят из двух блоков, которые вводились в эксплуатацию с разницей в 16 лет. В связи с очень сложными мерзлотно-грунтовы-ми условиями с 1959 по 1965 гг. были предприняты три неудачные попытки начала строительства первой части аэровокзала. В 1966 г. строительство всё же началось. В качестве фундаментов были приняты камуфлетные сваи глубиной заложения 5-7 м. Здание было сдано в эксплуатацию в марте 1974 г., а уже через месяц появились первые деформации. Дополнительные изыскания в апреле 1974 г. показали, что вокруг здания и под ним изменились мерзлотные условия из-за длительного периода строительства, в результате чего подошва мёрзлых грунтов опустилась на 3 м (с 4 до 7 м). После того, как граница чаши оттаивания подошла к нижнему концу свай, стали возникать осадки. К счастью, криотексту-ра образовавшихся мёрзлых грунтов была массивная (лишь местами были обнаружены прожилки льда до 1 мм), поэтому неравномерные осадки до аварийных не дошли.
Как показало дальнейшее строительство пристройки к уже существующему зданию аэровокзала, никаких выводов о том, как надо строить на севере, строители не извлекли. Фундамент второй части здания возводился в котловане. Он представлял собой кусты из четырёх буродобивных свай длиной 9-11 м (глубина скважин 7,5-8,0 м, забивка в несущий слой талых грунтов ниже забоя скважин составляла около 1,5 м). Производство работ нулевого цикла затянулось более чем на два года (с 1981 по 1983 гг.), а монтаж надфундаментной части осуществлялся с большими перерывами в течение шести лет. В процессе остановки работ котлован неоднократно затапливался дождевыми водами. Переувлажнённые грунты зимой вместе со сваями промерзали и распучивались льдом. Судя по остаткам перелетков, выявленных в 1990 г. контрольным бурением, глубина промерзания грунтов достигла 5 м. Этим же бурением было установлено, что кроме талых грунтов в основании этого фундамента появились и многолетнемёрзлые породы, сформировавшиеся уже в период строительства
здания. Геодезическая съёмка вертикального положения низа колонн каркаса здания, выполненная в то время, показала, что за счёт сил морозного пучения значительная часть незагруженных кустов свай приподнялась на 20-30 см.
Негативное влияние этого фактора сказалось и на ростверке. Во многих местах он был покрыт многочисленными трещинами. Возведённое на таком фундаменте здание ещё до ввода его в эксплуатацию стало подвергаться неравномерным деформациям. Причиной деформаций явилась неравномерная осадка свай, возникшая при формировании чаши оттаивания под зданием, в результате чего сваи под действием веса здания стали возвращаться к своему исходному положению, которое они имели до морозного выпора после забивки [14]. Это в дальнейшем было подтверждено натурными испытаниями свай непосредственно в фундаменте существующего здания (рис. 7).
Никаких укреплений и усилений фундаментов не делалось, так как осадки были в пределах допустимых для этого типа зданий, однако последствия допущенных в период строительства ошибок видны до сих пор (рис. 8).
Выводы и предложения
1. История эволюции фундаментов в г. Магадане в условиях островного распространения мёрзлых грунтов, более современные примеры неудачного строительства различных типов фундаментов на территории аэропорта «Сокол» на сильнольдистых просадочных при оттаивании грунтах показали, что единственным типом фундаментов, который может обеспечить надёжность зданий в этих условиях, является свайный фундамент. Только он может прорезать ненадёжные при оттаивании мёрзлые грунты и добраться до не-просадочного основания.
2. Рекомендуемый принцип использования мёрзлых грунтов в этих условиях - второй. Применение первого принципа строительства из-за температуры мёрзлого грунта допустимо только при искусственном грунтов морозильными агрегатами.
Рис. 7. Результаты испытаний свай в фундаменте возведённого здания аэровокзала г. Магадана в июне 1991 г.
Рис. 8. Деформации пола и колонн, продолжающиеся в здании аэровокзала аэропорта «Сокол» из-за допущенных перерывов в период строительства (март 2019 г.)
близкой к 0 °С, 3. Вследствие средней годовой отрицательной замораживании температуры атмосферного воздуха на рассматриваемой территории, при нарушении сроков и технологий
строительства даже при возведении здания на свайных фундаментах в талых грунтах, могут появиться предпосылки к возникновению аварийной ситуации из-за пучения грунтов, возможности новообразования мерзлоты и промерзания грунтов ниже глубины опирания свай.
Список литературы
1. Гулый, С. А. Современное строительство на оттаивающих вечномёрзлых грунтах в г. Магадане - повторение ошибок проектирования 60-летней давности / С. А. Гулый // Современные технологии проектирования и строительства фундаментов на многолетнемёрзлых грунтах : сб. докладов Международной научно-технической конференции, Москва, 14-15 ноября 2018 г. - М, 2018. - С. 5-9.
2. Айдла, Т. А. Опыт восстановления здания путём искусственной оттайки грунтов основания / Т. А. Айдла // Труды ВНИИ-1. Том XIX. Мерзлотоведение. - Магадан : Изд-во ВНИИ-1, 1961. - Вып. 19. -С. 90-98.
3. Айдла, Т. А. К освоению метода предпостроеч-ного оттаивания грунтов основания / Т. А. Айдла ; Всесоюзный научно-исследовательский институт золота и редких металлов // Труды ВНИИ-1. - Магадан : Изд-во ВНИИ-1, 1963. - Т. XXII. - С. 64-103.
4. Ведерников, Л. Е. Некоторые итоги исследований в области инженерного мерзлотоведения Северо-Востока СССР / Л. Е. Ведерников; Всесоюзный научно-исследовательский институт золота и редких металлов // Труды ВНИИ-1. - Магадан: Изд-во ВНИИ-1, 1963. - Т. XXIII. - С. 389-407.
5. Калабин, А. И. Проблемы мерзлотоведения в связи с освоением Северо-Востока / А. И. Калабин // Сб. Дальстрой. - Магадан : Магаданское книжное издательство, 1956. - С. 100-136.
6. Щегольков, Ю. Г. Исследования работы камуф-летных свай в талых и пластичномёрзлых грунтах г. Магадана / Ю. Г. Щегольков ; Всесоюзный научно-исследовательский институт золота и редких металлов // Труды ВНИИ-1. - Магадан : Изд-во ВНИИ-1, 1969. - Т. XXIX. - С. 237-271.
7. Конаш, В. Е. Свайные фундаменты в условиях островного распространения вечномёрзлых грунтов (на примере Магадана) / В. Е. Конаш. - Л. : Строй-издат, Ленинградское отделение, 1977. - 135 с.
8. Власов, В. П. Особенности свайного фундамен-тостроения в талых и оттаивающих грунтах Магаданской области / В. П. Власов. - Якутск : ИМЗ СО РАН, 1992. - 176 с.
9. ВСН 67-174-78 Минтяжстроя СССР. Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов в Магадане. - Магадан : Магаданская областная типография, 1978. - 31 с.
10. ВСН 110-010-87 Минвостокстрой СССР. Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов в талых и оттаивающих грунтах Магаданской области. - Магадан : Издательство Магаданского обкома КПСС, 1988. - 38 с.
11. Рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений на оттаивающих и талых грунтах Магаданской области / ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН ; [авт. сост.: В. П. Власов, С. А. Гулый, Р. В. Чжан ; отв. ред. Г. П. Кузьмин]. - Якутск : Издательство ФГБУН Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2012. - 64 с.
12. Заключение о техническом состоянии зданий ПРЦ, РЭМ, пакгауза на 120 т и очистных сооружений аэропорта - 56 км. Шифр И-567. МКНИО Дальневосточного ПромстройНИИпроекта. - Магадан, 1980. - 4 с.
13. Комплексное обследование деформирующейся Аварийно-спасательной станции в аэропорту «Сокол» и выдача рекомендаций по её усилению : научно-технический отчёт / НПО «Графит» института МагаданпромстройНИИпроект. - Магадан, 1990. - 33 с.
14. Комплексное обследование в стадии незавершенного строительства деформирующегося здания аэровокзала а/п Магадан с выявлением причин деформаций и разработкой предложений по его усилению : технический отчёт. -Магадан : МагаданпромстройНИИпроект - МНИиПП «СтройНИП», 1991. - 72 с.
Я(рхт <№У<№Ь1Х Ш1СЛ<ЕЙ
Три пути есть у человека, чтобы разумно поступать: первый, самый благородный, -размышление; второй, самый лёгкий, - подражание; третий, самый горький, - опыт.
Конфуций
Моя вера - это вера в то, что счастье человечеству даёт прогресс науки.
И. П. Павлов
