Противопучинная мелиорация грунтов для повышения надежности и безопасности оснований зданий и сооружений

ПРОТИВОПУЧИННАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

METHODS OF FROST HEAVE PREVENTION FOR SAFETY RAISE OF BUILDING AND CONSTRUCTION BASSES

Я.А. Кроник Ja.A. Kronik

МГСУ

Рассматриваются меры противопучинной мелиорации грунтов оснований зданий и сооружений. Приводится ряд примеров аварий и разрушений жилых зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах в России, Монголии и США (на Аляске). Предлагается классификация противопучинных мероприятий при возведении различных типов сооружений.

The safety problem for building and structure basses on permafrost zone are considered. Many cases of destruction of civil buildings on permafrost in Russia, Mongolia and USA (Alaska) are discussed and analyzed. The antiheaving measures classification are proposed for different types of construction.

Лосвящается 110-летию основоположника механики мерзлъицгрунтов и инженерного мерзлотоведения, члена-корреспондента ЯЛ ССОР, Тероя Социалистического Шруда, доктора технически^наук, профессора Hfi. "Цытовича

Проектирование, устройство и надежная эксплуатация оснований и фундаментов всевозможных зданий и сооружений в течение всей истории человечества являются одними из самых сложных комплексных инженерных проблем, актуальность которых с начала XXI века существенно возрастает, особенно в связи с перманентным увеличением числа аварий и катастроф техногенного и природного характера, обусловленных воздействием опасных природно-техногенных процессов (ОПТП) и ускоряющимся с каждым годом изменением климата на нашей планете.

Основания и фундаменты являются основной, наиболее общей и массовой частью любых инженерных сооружений и всецело предопределяют устойчивость и надежность, долговечность и безопасность всей взаимодействующей и взаимосвязанной природно-техногенной системы (ПТС) «основание -сооружение - окружающая среда» (ОСОС) и, в целом, всей строительной экосистемы.

С учетом общей мировой тенденции нарастания аварийности, установленной в последние 15-20 лет, особую озабоченность вызывает непрекращающийся ежегодный рост (тренд) аварийности всех типов зданий и сооружений в районах со сложными природно-климатическими, инженерно-геологическими и социально-экономическими условиями (в городах с плотной, стесненной застройкой, на слабых и насыпных (техногенных) грунтах, в районах распространения структурно-неустойчивых, в том числе многолетнемерзлых и сезоннопромерзающих морозо-опасных (пучинистых) грунтов и т.п.). [Дашжамц Д., Кроник Я.А., Лыкшитов Б.В., 2009] По данным вице-президента Российской Академии Архитектуры и Строительных наук (РАА и СН) д.т.н., профессора В.А. Ильичева и д.т.н., профессора В.М. Улицкого, доложенным на Годичном Собрании Национальной Ассоциации Механики Грунтов, Геотехники и Фундаментостроения (НАМГиФ), в России к 2005 году в 86% случаев от общего числа опасно деформированных и аварийных зданий и сооружений главной причиной отказов и аварий являлись ошибки при изысканиях, проектировании, строительстве и, особенно, при ненормативной эксплуатации именно оснований и фундаментов.

Поскольку в России на всей ее территории распространены сезоннопромерзающие (более трети страны) и многолетнемерзлые грунты (66 % площади РФ), одной из важнейших геоэкологических и социально-экономических проблем является обеспечение надежности и безопасности при проектировании и строительстве на мерзлых грунтах всех видов природно-техногенных систем и защиты их от опасных природных процессов. По степени пораженности опасными природными процессами территорий России, Монголии, штата Аляски (США), Канады, западных территорий Китая и других стран (с наличием сезонно-и вечномерзлых грунтов) наибольшую опасность представляют криогенные процессы, охватывающие практически все регионы распространения сезон-номерзлых и вечномерзлых (сезоннооттаивающих) грунтов. Среди криогенных (геокриологических) процессов больше всего нарушает устойчивость и долговечность зданий и сооружений, земляного полотна железных и автомобильных дорог, аэродромов и гидромелиоративных сооружений, ЛЭП и трубопроводов, легких сельскохозяйственных и коттеджных построек ежегодное криогенное пучение при промерзании с последующими ежесезонными неравномерными осадками при оттаивании мерзлых грунтов. Несмотря на многовековые попытки человека защитить природно-техногенные системы от опасных воздействий пучения и просадок при оттаивании и двухсотлетний опыт исследований этого природного процесса учеными многих стран, до сих пор в России, Монголии, скандинавских странах, США, Китае, Канаде и в других холодных регионах нарастает количество зданий и сооружений, деформированных от воздействия морозного пучения с последующей осадкой при оттаивании, увеличивается число аварий и разрушений всевозможных строительных объектов, приводящих даже к человеческим жертвам, а ежегодные ущерб и затраты на ремонтно-восстановительные работы исчисляются в начале XXI века уже сотнями миллиардов долларов.

Возрастанию опасности воздействия криогенного пучения и числа деформированных и аварийных зданий и сооружений в существенной степени способствует увеличение в последние десятилетия повсеместного подтопления территорий многих городов. Так, например, по данным ГОССТРОЯ Российской Федерации на 2001 год 960 (93%) городов России подвержены этому опасному природно-техногенному процессу. Более всего страдают от деформации морозного пучения при подтоплении исторические города и памятники в Ростове Великом (Ярославской области), ансамбли Новгородского и Псковского Кремля, соборы Троицко-Сергиевой Лавры в г. Сергиев Посад

(Московской области) и др. Но наиболее опасно тенденция нарастания аварийности зданий и сооружений проявляется в районах распространения вечномерзлых грунтов и, особенно, в районах глубокого (от 1,5 до 7 м) промерзания - в Сибири и на Дальнем Востоке, в Прибайкалье и Забайкалье. Так, за последние 10-20 лет число аварийных зданий даже в самом лучшем северном городе Норильске выросло в 4,2 раза, а в г. Якутске - в 11,7 раз. В Магаданской области из обследованных в 1990-х гг. 1115 зданий, построенных на островной мерзлоте и на сезоннопромерзающих грунтах, 55% находилось в аварийном состоянии, а наибольшая аварийность отмечалась в Забайкалье - в Чите 60% и в Бурятии - 70% [Кроник Я.А., 2001].

Аналогичная высокая деформированность и аварийность зданий и сооружений отмечалась в конце XX века и в Монголии (по данным обследования Дашжамца Д.), а в последних обследованиях в 2001 г. в г. Улаан-Баатар (бывшем г. Улан-Баторе) также подтверждается увеличение подтопления городских территорий и числа деформированных от действия пучения и аварийных зданий [Дашжамц Д., Кроник Я.А., Лыкши-тов Б.В., 2009].

На фотографиях - рисунках 1-4 - приведены наиболее типичные примеры аварийных запредельно деформированных от криогенных деформаций пучения при промерзании и осадок при оттаивании грунтов оснований жилых зданий, претерпевших полный отказ с последующей разборкой и утилизацией. Один из лучших по комфортабельности и социально-культурной обеспеченности среди северных поселков городского типа поселок Синегорье, возведенный в 1970-1980 гг. прошлого столетия для строителей Колымской ГЭС, уже в начале 1990-х гг. начал испытывать необходимость разборки деревянного временного поселка (рис.1) и детального обследования капитальных жилых пятиэтажных крупнопанельных зданий (рис. 2, 3), подверженных значительным деформациям [отчет по НИР, Кроник Я.А., 1991]. Построенные по первому принципу (с сохранением вечномерзлых грунтов в основании) жилые здания начали деформироваться под воздействием пучения и оттаивания грунтов оснований при отсутствии должного контроля при эксплуатации в местах ввода коммуникаций с горячей водой и появившихся утечек из коммуникаций. Особо опасные деформации с трещинами и проемами между панелями до 10-15 см и более зафиксированы были на доме № 59 (по проекту Ленгидропроекта, дом 1а) по Комсомольской улице (рис. 3). При инструментальном и всестороннем обследовании автором в начальной стадии реконструкции этого дома в зиму 1989-90 гг. уже к середине зимы были замерены по оси здания деформации пучения 38,5 мм и одновременно - осадки по краям Б1=42,5 мм и Б2 =68,5 мм. При ширине дома коридорного типа 14 м. Крен при этом достигал до /=0,011=0,013, что в 5-7 раз превышало предельно допустимые величины по нормам (СНиП 2.02.01-83) и приводило к раскрытию швов между панелями и появлению зияющих трещин [Кроник Я.А. Отчет по НИР, 1991].

На рис. 4 приведены запредельные деформации (крены) малоэтажных коттеджных жилых и подсобных построек, возведенных по I принципу на вечномерзлых грунтах на окраине города Фербэнкса (штат Аляска, США).

Необходимо отметить, что тенденция возрастания числа опасных воздействий природных процессов и возникающих при этом чрезвычайных ситуаций (ЧС) наблюдается в последние 15-20 лет не только в России и Монголии, но и в других странах. Согласно мировым статистическим данным поражаемость (уязвимость) человечества от воздействий опасных природно-техногенных процессов ежегодно увеличивается на 4 % по пострадавшим, а экономический ущерб растет еще более высокими темпами (с ежегодным трендом) - в 10,4 % в год.

Рис. 4. Деформация коттеджных зданий в окрестностях г. Фербэнкса (штат Аляска, США).

Фото автора 2000 г.

Из многолетнего мирового опыта строительства установлено, что в обычных, благоприятных инженерно-геологических условиях на устройство оснований и фундаментов с необходимыми инженерно-геологическими и геоэкологическими изысканиями, проектно-исследовательскими и подготовительными работами (выбором и подготовкой строительных площадок и карьеров местных строительных грунтовых материалов) расходуется от 16 до 22 % общей сметной стоимости строительного объекта, 25-30 % бетонных работ и до 12-15 % расхода металла. В сложных климатических, инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условиях общие расходы на все вышеперечисленные работы по изысканиям, проектированию и возведению подземных частей зданий и сооружений и, особенно, по подготовке стройплощадок и возведению грунтовых сооружений (подсыпок территории, насыпей, дорожного полотна и т.п.) достигают от 30-40 % до 60-70 % общей стоимости строительства, затраты времени, даже при своевременном и достаточном финансировании, соизмеримы со сроком строительства, а в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, как правило, превышают проектные сроки в 1,5-2 раза.

В условиях недостаточной до сих пор изученности опасных природных процессов (ОПП) при необходимости возведения надежных и долговечных зданий и сооружений для жилья и трудовой деятельности человека строителям (архитекторам, зодчим) с древних времен и по настоящее третье тысячелетие новой эры приходится постоянно решать сложные проблемы устойчивого и безопасного строительства всех видов сооружений на сезоннопромерзающих, мерзлых и оттаивающих пучинистых грунтах. Поэтому инженеры-строители на основе первого опыта строительства и своей интуиции, характеризующей каждый интеллектуально-творческий (эвристический) процесс, применяли простейшие методы предохранения зданий и сооружений от опасного воздействия пучения (или про-тивопучинные мероприятия) и наиболее безопасные их конструкции.

Из древнеримской истории известно, что при сооружении городских дорог римляне выбирали грунт в основании на глубину до 2,5 м и заполняли дорожное корыто крупной галькой, что делало дороги Рима долговечными и устойчивыми при любых температурных воздействиях. Этот прием в строительстве дорог, вероятно, следует считать первым известным в истории искусственным противопучинным мероприятием. Хотя известно, что еще ранее в III тысячелетии до н.э. в Китае, включающем тогда и Монголию, а позднее, в VI - III веках до н.э. в Индии и на территориях нынешней России уже закладывали подошвы фундаментов храмов ниже глубины естественного промерзания, а в Индии даже

впервые применяли фундаменты глубокого заложения типа опускных колодцев, что в существенной степени конструктивно предохраняло здания от действия морозного пучения.

Первые опубликованные сведения о применении в России искусственных (инженерных) противопучинных мероприятий в строительстве относятся к началу XIX века (Тулаев А. Я., 1941; Кроник Я. А., 1970). В эти годы необходимость строительства «мостовых дорог» заставила русских инженеров заняться разработкой простейших конструктивных мероприятий по борьбе с пучинами, под которыми понимали не только выпучивание дорожного полотна при промерзании, но и просадки последнего при оттаивании. В 1835 году на бывшем Московском шоссе были уже осуществлены простейшие противопучинные мероприятия (Соколов А. А., 1961; Кроник Я. А., 1970). Таким образом, борьбой с морозным пучением на территориях нынешней Российской Федерации инженеры-строители занимаются многие сотни лет. Особенно интенсивно стали разрабатываться и применяться противопучинные меры в дорожном строительстве и в фундаментостроении с 30-60 гг. XX века.

К настоящему времени известны многие десятки способов защиты от пучения грунтов оснований и земляных сооружений. На основе анализа и обобщения литературных данных и собственного многолетнего опыта разработки и применения в строительстве мер по защите зданий и сооружений от опасного воздействия криогенного (морозного) пучения попытаемся составить условную схему классификации противопучинных мероприятий (рис. 5) и оценить их долговечность и эффективность.

Существующие и разрабатываемые методы борьбы с морозным пучением грунтов и противопучинные мероприятия можно подразделить (Кроник Я.А., 1969, 1970, 1971) на два принципиально отличных друг от друга направления:

I направление - противопучинная мелиорация грунтов оснований и грунтовых сооружений;

II направление - противопучинная стабилизация оснований и фундаментов, зданий и сооружений.

В первом направлении основная цель противопучинных мероприятий - существенное уменьшение или полная ликвидация морозного пучения грунтов оснований или земляных элементов сооружений, то есть протвопучинная мелиорация грунтов. В этом случае на стабилизированном основании из практически непучинистого грунта можно возводить любые здания и сооружения и использовать стабилизированный не-пучинистый грунт для возведения земляных сооружений без опасности разрушения их от пучения.

Во втором направлении грунт как среда, на которой возводят сооружения, или как местный строительный материал, из которого отсыпают грунтовые сооружения, не подвергается противопучинной обработке и морозное пучение как таковое не ликвидируется. Но в то же время сооружения и здания, или их фундаменты приспосабливают различным образом к деформациям самих зданий и сооружений от действия пучения. Таким образом, противопучинной обработке в первом случае подвергается грунт, а во втором - фундамент или конструкции сооружений.

Мероприятия каждого из направлений делятся по характеру противопучинной обработки на группы, которые в свою очередь подразделяются на виды, включающие различного типа элементарные (отдельные) противопучинные мероприятия и способы борьбы с морозным пучением (рис. 5). Последние также подразделяются на простейшие разновидности (например, по типам или способам подсушивания грунтов, по виду применяемых теплоизоляционных материалов или химикатов и т.п.), которые не включены в обобщенную схематическую классификацию.

Противопучинная мелиорация грунтов включает в себя четыре группы противопучинных мероприятий:

1. Механические меры, заключающиеся в простейшей обработке, изменяющей механический (гранулометрический) состав грунта, его основные физико-механические характеристики (плотность, пористость и т.п.), либо в дополнительной или увеличивающейся пригрузке и т.п.

2. Теплофизические мероприятия, направленные на изменение (улучшение) температурно-влажностного режима промерзания и снижающие либо полностью ликвидирующие миграцию влаги и пучение.

3. Физико-химические мероприятия, приводящие к качественному изменению (улучшению) структуры и физико-химических свойств грунтов и снижающие или устраняющие их пучинистые свойства.

4. Комплексные мероприятия, которые объединяют в себе обязательную различного вида механическую и термо-влажностную обработку грунтов и физико-химические или теплофизические мероприятия и направлены на качественную переработку грунтов для получения морозостойких, непучинистых оптимальных грунтовых смесей или стабилизированных неморозоопасных грунтовых оснований.

Противопучинная стабилизация сооружений подразделяется на две группы про-тивопучинных мероприятий:

1. Конструктивные мероприятия, предусматривающие разработку специальных типов конструкций фундаментов и сооружений, приспособленных к деформациям и силовым воздействиям морозного пучения грунта и обеспечивающих нормальную (надежную и безопасную) эксплуатацию зданий и сооружений.

2. Комплексные мероприятия, объединяющие способы защиты от пучения первого и второго направления, заключающиеся, например, в специальной обработке контактов «грунт-фундамент» (или «основание-сооружение»), либо комбинирующие одновременно противопучинную обработку фундамента (или стабилизацию сооружения) и примыкающего к нему грунта основания или грунтового элемента земляного сооружения.

Противопучинная стабилизация оснований, фундаментов, зданий и сооружений применяется чаще всего в промышленном и гражданском строительстве и в практике фундаментостроения. Противопучинная мелиорация грунтов применяется еще более широко во всех отраслях строительства.

Многолетний опыт применения различных противопучинных мероприятий, а также опыт эксплуатации автомобильных и железных дорог, аэродромов и ЛЭП, трубопроводов и гидромелиоративных систем, промышленных и гражданских зданий и сооружений на сезоннопромерзающих и мерзлых пучинистых грунтах наглядно доказал, что в настоящее время не существует достаточно испытанных, экономически эффективных и долговечных противопучинных мероприятий, способных обеспечить длительную (на сотни лет и более) противопучинную стабилизацию сооружений и грунтов оснований в любых грунтовых и климатических условиях, особенно в сложных инженерно-геокриологических условиях Забайкалья и Дальнего Востока России и Монголии.

Механические и теплофизические мелиоративные противопучинные меры, так же как и противопучинная стабилизация сооружений, оснований и фундаментов в большинстве случаев не обеспечивают долговечности и безопасности сооружений на весь проектный период эксплуатации: до 20-30 лет на автомобильных и железных дорогах, до 50 лет для промышленно-гражданских зданий и сооружений и до 100 лет - для ответственных гидротехнических сооружений. Фактический срок противопучинной стабилизации не превышает 10-15 лет, а в последние два десятилетия в России и Монголии он снизился почти вдвое, не учитывая знаменитый в России ежесезонный, противопучинный, локальный («ямочный») ремонт автодорог, съедающий ежегодно десятки миллиардов рублей и не обеспечивающий противопучинной стабилизации автодорог даже на один зимний сезон.

(Т|Ш)!Ш 1ККК1МШ ШЮППНИЕ «МРИ!1!!

Рис. 5. Схематическая классификация существующих и перспективных противопучинных

мероприятий

Отдельные случаи удачного опыта борьбы с морозным пучением и некоторые общепризнанные относительно эффективные противопучинные мероприятия (как, например, полная замена непучинистыми грунтами, большое заглубление фундаментов и другие) являются частными, случайными решениями общей проблемы, целесообразными и эффективными в одних условиях или в одном виде строительства и нецелесообразными, неэффективными и зачастую неприемлемыми в иных условиях и в других отраслях строительства. Поэтому в ближайшее десятилетие необходимо расширить исследования по разработке более универсальных надежных и долговечных методов противопучинной мелиорации грунтов.

Предложенная выше (рис. 5) классификация существующих и перспективных противопучинных мероприятий рекомендуется для использования студентами, аспирантами и инженерами-проектировщиками в практике научно-исследовательских, дипломных и проектно-изыскательных работ, особенно для целей проектирования и строительства зданий и сооружений на мерзлых и оттаивающих пучинистых грунтах.

Литература

1. Дашжамц Д., Кроник Я.А., Лыкшитов Б.В. Основания и фундаменты на мерзлых и пучинистых грунтах (на примерах Забайкалья и Монголии): Учебн. пос./. Под ред. Я.А. Кроника. - М.: АСВ 2009. -160 с.

2. Кроник Я.А. Аварийность и безопасность природно-технических систем в криолитозоне.// Мат. Второй Конференции геокриологов России. Кн.3. Инженерная геокриология. - М.: МГУ, 2001.

3. Отчет по научно- исследовательской работе МНТЦ «ЭНЭСК ЛТД» МИСИ « Обследование аварийных домов и разработка предложений по повышению устойчивости их оснований» Хоздоговор № М.1. Научный руководитель и ответственный исполнитель к.т.н., ст. н.с. Я.А. Кроник М.1991.

взс.

4. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Госстрой СССР. М.ЦИТП, 1990.

5. Кроник Я.А. , Рабинович М.В. . Расчеты термонапряженно- деформированного состояния вечно-мерзлых и оттаивающих оснований зданий при аварийных утечках из коммуникаций.// Материалы Первой Конференции геокриологов России Кн. 3. Инженерная геокриология.- М.: МГУ, 1996. - С. 246-255.

6. Цытович Н.А. Исследования деформаций мерзлых грунтов. Ч. II. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Л. 1940.

7. Кроник Я.А. О физико-химическом методе борьбы с морозным пучением грунтов. Тезисы докладов XXVI научно-технической конференции МИСИ им. В.В. Куйбышева. - М. МИСИ 1967.

8. Кроник Я.А. Противопучинное засоление суглинков при зимнем возведении экрана плотины Вилюйской ГЭС. // Экспресс-информация Оргэнергостроя. Серия «Строительство гидроэлектростанций». - 1968, № 8.

9. Кроник Я.А, Ухов С.Б., Цытович Н.А. Искусственное засоление грунтов для борьбы с морозным пучением.// Основания, фундаменты и механика грунтов.- М., 1969 № 1 - С. 22-26.

10. Цытович Н.А. Кроник Я.А. Проблемы морозного пучения грунтов в гидротехнике и комплексные противопучинные мероприятия. Строительство на вечномерзлых грунтах. Т. V. Вып. 1. Красноярск, 1970.

11. Кроник Я.А. Криосферно-техногенные опасности и безопасность жизнедеятельности в криолитозоне. Пленарный (заказной) доклад // Материалы Международной Конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты». - Пущино:, РАН. 2002. - С.29-31. 12 Теличенко В.И., Кроник Я.А. Безопасность водохозяйственных природно-техногенных систем в криолитозоне. // Труды годичного собрания РААСН, 2003 г. Ресурсо- и энергосбережение как мотивация творчества в архитектурно-строительном процессе. - Москва - Казань РААСН: Изд-во. Казанской ГАСА, 2003. - С. 228-232.

13. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. Госстрой СССР. М. 1985.

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»