Вечная мерзлота тает. Устоит ли северный жилой фонд перед глобальным потеплением - «Строим Город»

…В советское время вечную мерзлоту изучали целые институты. И не зря. Ведь строительство и эксплуатация зданий на вечной мерзлоте всегда были сопряжены с немалыми сложностями.  Новое время принесло новые вызовы.  В связи с изменением климата началось оттаивание – или как специалисты называют, растепление - вечномерзлых грунтов. Некоторые ученые считают, что это грозит серьезными проблемами северному жилому фонду. Из-за проседания грунта может начаться разрушение не только жилых домов, но и объектов промышленной и городской инфраструктуры. Обоснованны ли тревоги?  Об этом мы поговорили с руководителем Центра геокриологических и геотехнических исследований НИЦ «Строительство», кандидатом технических наук Андреем АЛЕКСЕЕВЫМ.

Вечную мерзлоту доставляют  на исследование в специальных термоконтейнерах

- Андрей Григорьевич, во-первых, давайте определимся, какими характеристиками обладают вечномерзлые породы?

- Вечномерзлые грунты обладают теми же характеристиками, что и обычные талые. Но то, что они практически постоянно находятся при отрицательной температуре, конечно, накладывает свой отпечаток. Поэтому для вечномерзлых грунтов мы определяем такие дополнительные характеристики, как температура начала замерзания, влажность незамерзшей воды, льдистость грунтов и т.д. То есть, характеристики, подразумевающие наличие в грунте льда.

Также свойства мерзлых грунтов несколько отличаются от талых и по механическим характеристикам, таким, как сдвиг по поверхности смерзания свай с мерзлым грунтом, расчетное сопротивление сжатию мерзлого грунта и так далее.

- Любопытно, как изучаются вечномерзлые породы? Непосредственно на месте или доставляются в лабораторию? Но ведь, чтобы сохранить их в первоначальном виде, нужен, как минимум,  холодильник. Неужели везете в рефрижераторах?

- Вы почти правы. Существуют специальные термоконтейнеры с аккумулятором холода, в которых такой грунт перевозится в лабораторию для дальнейшего изучения.  Центр геокриологии НИИОСП им. Н.М. Герсеванова оборудован специальными криокамерами – их у нас больше десяти. И здесь грунты уже предметно исследуются – в условиях низких и сверхнизких температур.

Кроме того, у нас есть выездные лаборатории, которые определяют свойства грунтов непосредственно на месте

…Например, в местечке Кумтор, в Киргизии, мы исследовали мерзлые грунты на высоте более 1000 метров. Кумтор – это известное в республике месторождение золота. Поскольку работы проводились летом (это южная республика, поэтому жара стояла неимоверная), было проблематично транспортировать пробы в Россию. Вышли из положения так: снарядили в горы целую экспедицию.  Брали с собой приборы для исследования, организовывали термоконтейнеры. Кроме того, с нами двигался целый рефрижератор.

 Высокогорное золоторудное месторождение Кумтор в Киргизии. Здесь хотя и не вечная мерзлота, но грунты сильно охлаждены

- Что дают такие исследования? Какие выводы из них можно сделать?

- Это нужно для того, чтобы определить характеристики грунтов, которые потом используются в расчетах. Вычисления проводятся по предельным состояниям, по несущей способности и  деформациям, для того, чтобы затем рассчитать конструкцию  фундамента.

В том числе определяются теплофизические характеристики грунтов, для того, чтобы рассчитать глубину оттаивания или  чашу оттаивания, последствия техногенного воздействия  и климатических изменений (глобальное потепление), которые на всем земном шаре происходят.

В последние десятилетия грунты вечной мерзлоты принято делить на два типа: вечномерзлые и многолетнемерзлые. Если первые - это грунты, которые  не подвергались оттаиванию, как минимум, в течение 100 лет, то вторые – находящиеся в мерзлом состоянии более трех лет.

Сегодня вечная мерзлота тает. Постепенно переходя из «вечномерзлой» в «многолетнемерзлую» и даже в талое состояние. Процесс этот пока не приобрел каких-то катастрофических масштабов, но определенные геологические и природные сдвиги, в связи с глобальным изменением климата, уже видны.

Избушка на курьих ножках – оптимальное жилье для Севера

- Получается, вечномерзлые породы лучше не размораживать при строительстве (как неразмораживаемый холодильник «no frost»)? Целее будет построенное на таких грунтах здание?

- На самом деле, есть два принципа строительства на мерзлых грунтах.  При первом принципе строительства  мы оставляем грунты в мерзлом состоянии. Второй принцип, когда допускается так называемое предпостроечное оттаивание или  оттаивание в процессе эксплуатации.

 Дома "на ножках" - яркая примета северных городов. Жилые дома в Анадыре

Здесь нужно исходить из того, в каком состоянии находятся грунты, какой у них температурный режим. 

Если температура грунтов ниже одного градуса, то лучше сохранять эти грунты в мерзлом состоянии.

Если же это высокотемпературные сильно льдистые грунты, то тогда сохранять их в мерзлом состоянии не целесообразно. Тем более, если кровля скальных грунтов находится неглубоко от поверхности. А оттаять грунты и опереть фундамент на скальные породы – это не такая уж затратная технология.

Тепловое  воздействие здания на грунты основания называется «чашей оттаивания». Для того, чтобы такой «чаши» не возникало, дома на Севере строят на сваях (многие их называют избушками на курьих ножках).

Сваи – пока основной тип фундаментов  в северных широтах. Основное правило – проветривание подполья, которое образуется под сваями. Необходимо убрать от сооружения теплый воздух и в зимний период охладить основание.  Этот метод применяется достаточно давно и очень хорошо служит.

 Свайное поле главного корпуса Якутской ГРЭС. На Севере иначе строить нельзя

- А с чем же связано беспокойство последних лет по поводу проседания грунтов. Ученые встревожены тем, что вечная мерзлота, из-за глобального потепления, начала подтаивать. Здания проседают…

- На самом деле все эти тревоги вызваны, скорее всего, недавними авариями, одна из которых знаковая – в Норильске, когда из цистерны, у которой разрушился фундамент, вытекли сотни тонн нефтепродуктов, нарушив экологическое равновесие целого района.

На мой взгляд, особые тревоги по поводу разрушения жилого фонда вряд ли стоит испытывать. Дело в том, что как раньше, так и сейчас  процент выхода из строя сооружений на мерзлоте примерно одинаков.

Правда, ситуацию несколько усугубляет то, что жилой фонд выходит из строя теперь уже сам по себе, поскольку период эксплуатации некоторых зданий в северных регионах порядка 50 лет и более. Дома потихоньку ветшают. А заменять их  получается не так быстро.

Что скрывать, некоторая деградация вечной мерзлоты, конечно, имеется, в связи с изменением климата. Мы проводили расчеты по всем регионам, которые находятся в арктической зоне – от Мурманска до Чукотки – я лично все эти регионы посетил два года назад.

 Проблемы есть. Но подход к ним везде разный. Где-то здания находятся в лучшем состоянии, где-то – в худшем…Причем устойчивость  жилого фонда, по моему глубокому убеждению, зависит не только от новых природных тенденций (потепление), но, во многом, от человеческого фактора.

В Норильске затевают реновацию, а Воркута переживает тяжелые времена

- Вы побывали во многих северных городах. Как бы вы оценили их состояние?

- Каждый регион имеет свои особенности…Возьмем Анадырь – столицу Чукотки, где был не так давно. Мне понравилась чистота и правильность постройки сооружений в этом городе. Хотя это вроде бы самый отдаленный регион, практически анклав, куда попасть сухопутным путем не так-то просто.

Здесь более или менее логично расположены здания: это предохраняет дворы от завалов снега. Сугробы не мешают проветриванию подполья (подполье - продуваемое пространство под домом, на уровне свай). Коммунальные службы имеют возможность работать более качественно, вовремя убирать снег. И, как результат,  жилые дома здесь, в большинстве своем, сохраняются неплохо. Хотя, конечно, и  тут сейчас требуются какие-то восстановительные работы: ремонт дорог, совершенствование «городской вентиляции».

Понравился мне и Мирный. Здесь тоже видна «хозяйская рука» городских служб.

Обратная сторона – Воркута.

 Воркуту в последнее время все чаще причисляют к депрессивным регионам

В этом северном городе, за счет того, что некоторые здания построены неграмотно с точки зрения северных норм, сугробы можно увидеть даже летом. Лично я наблюдал картину, когда в июне сугроб у одного из домов дотягивался чуть ли не до второго этажа. Понятно, что это не способствует  проветриванию подполий. Естественно, там начинается деградация, и огромные здания выходят из строя. Отмечается даже смещение некоторых зданий на 20-30 см.

Причина такого раздрая в том, что город давно уже дотационный. Многие шахты закрылись, люди из Воркуты уезжают.

- А как выглядит Норильск?

- Здесь город как раз живет. Наш институт недавно открыл  в Норильске филиал…Есть, конечно, определенные проблемы с эксплуатацией. Но, как я знаю, предприятие «Норильский никель» собирается воплощать в жизнь собственную программу реновации – будут восстанавливаться здания и сооружения. Планируется даже строительство новых районов.

 Зимой сугробы в Норильске доходят до второго-третьего этажа 

- А Магадан?

- В Магадане другая «боль» - оттаявшие грунты. Здесь задача- обеспечить их устойчивость. В советское время, силами ученых нашего института, в Магадане был сохранен целый микрорайон: наши специалисты предложили передовой на тот момент метод устройства свайных фундаментов, который позволил обеспечить устойчивость сооружений.

- Андрей Григорьевич, часто приходится бывать в командировках?

- Первое время у меня их было до 40 в год. Сейчас поменьше. Раньше приходилось своих ребят обучать личным примером. Как говорится, лучше самому показать, чтобы потом было проще работать, будучи уверенным, что коллеги сделают все качественно - выполнят то же самое, что выполнял бы я.

Наши специалисты и сейчас продолжают активно работать. У меня сейчас ряд сотрудников находится в дальних командировках: в Мирном, Кудакане, Норильске…там сейчас минус  50,60 70 градусов. Пока, к сожалению, не можем начать бурение для забора проб, потому что на таком холоде техника выходит из строя. Люди могут работать, а техника нет.

- А самая интересная ваша командировка куда была?

Пожалуй, на космодром Восточный.

Там мерзлоты нет, но достаточно низкие температуры зимой. И за счет этого грунт промерзает достаточно глубоко. А при оттаивании дает осадку.

Мы туда летали с главой Роскосмоса Дмитрием Рогозиным. Сроки там были жесткие. Надо было исследовать грунты основания – места, где собирается ракета. Оно было проморожено. А допуски по деформациям на стартовой площадке предполагаются минимальные - разрешается смещение лишь долей миллиметра,  при запуске ракеты точность очень важна.

И мы предусмотрели  устройство буронабивных свай под полы, где накладываются рельсы. Рассчитывалось, что после  оттаивания силовые полы будут давать осадку.

Изготовили мы эти сваи, испытали их. А когда уже залили полы, оставили трубки для инъекций раствора, когда грунт осядет.

- Говорят, очень трудно рассчитать осадку, можно ошибиться...

- Да, это непросто. У нас есть специальный сектор, который занимается расчетами, есть специальные программы. Здесь главное – определить теплофизические характеристики мерзлого и оттаивающего грунта  - температуру начала замерзания, теплоемкость, теплопроводность, влажность…

И чем точнее первоначальные данные, тем точнее будет расчет,  тем устойчивее будет здание.

В последнее время как раз нашей лабораторией разработаны методы и приборы определения этих характеристик. Созданы два ГОСТа. Еще несколько планируется разработать. А также внесены изменения в СП-25 по вечным и мерзлым грунтам. 

Мониторинг –  единственное спасение от возможных аварий

- Вычитала, что около 80 процентов разведанных запасов нефти и газа как раз находится в вечной мерзлоте. Что, на ваш взгляд, нужно учитывать при строительстве, связанном с добычей энергоносителей?

- Как здесь уже говорилось, необходимо обеспечивать устойчивость состояния мерзлых грунтов.  Техногенное воздействие на температурный режим грунтов оснований должно быть минимальным. Обеспечивая его, мы обеспечиваем, в целом, сохранность мерзлоты и устойчивость сооружений на ней.

 Главный корпус Якутской ГРЭС-2

- Есть ли специфика строительства объектов, связанных с нефтью и газом, именно на таких, мерзлых, грунтах?

- Конечно, есть новая проблематика, связанная с сохранением оснований. Если это крупный нефтегазовый объект, как например, Ямал-СПГ (хранилище, переработка, сжижение, портовый комплекс), то здесь мы сталкиваемся с большим внесенным потоком тепла. Это огромное техногенное воздействие на какой-то небольшой клочок земли. И здесь нужно предусматривать тщательный мониторинг.

Специалисты нашего института там работали на электростанции, проверяли резервуары-стотысячники.

 Электростанция Ямал-СПГ

Вообще, мониторинг – это основной инструмент обеспечения эксплуатационной надежности объекта на вечной мерзлоте. Необходимо осуществлять постоянный геотехнический контроль за состоянием грунтов оснований и фундаментов. Это позволяет предвосхитить возникновение аварийных ситуаций.

 Строительство электростанции Ямал-СПГ

К сожалению, в жилом фонде такой мониторинг выполняется не всегда. Законодательно пока не прописано, кто же такие работы должен оплачивать: жилец, муниципальный или федеральный бюджет.

- То есть, поселки на Русском Севере пока практически бесконтрольны?

- Не везде. В Мирном у меня люди, например, уже начали заниматься таким мониторингом зданий. Бурятся температурные скважины до глубины 10-15 м, опускается туда труба, на нее одевается теплый колпак. Затем опускается туда термометрическая коса с датчиками и происходит съем показаний. Определяем температуру грунта по глубине. И затем принимаем решение для этого здания. Обеспечивается несущая способность или нет. 

Русский Север: тем, кто там остался, нужно обеспечить достойное существование

- А как вы считаете, нужно осваивать Русский север в плане жизни там? Или все-таки более предпочтителен вахтовый метод, когда люди приехали, отработали, и поехали к себе в Тулу, Курск, Белгород, Краснодар или еще куда-то…

- Вопрос дискуссионный. Мое мнение: мне бы тяжело было жить там долго. Но я знаю людей, которые не готовы оттуда уезжать. Там замечательная природа, рыбалка, охота.

- Надо ли все-таки на ваш взгляд, изучать вечную мерзлоту так подробно, с тем, чтобы потом осуществить экспансию на Север – с целью постоянного там проживания?

- Однозначно нужно. Мы должны знать, что происходит с природой наших северных территорий. А без изучения вечной мерзлоты это невозможно. Уезжать или нет? Наверное, заработав там какие-то деньги, многие готовы уехать на материк, в более теплые регионы. А для кого-то все-таки удобнее жить там. Главное, чтобы это было социально и экономически целесообразное проживание.

 Такая погода типична для Норильска...и для настоящего северянина

Возможно, нужны какие-то небольшие предприятия, чтобы обеспечить тех, кто там остался. Нужно совершенствовать жилье, которое там строится. Оно должно быть энергоэффективным.

Возможно, в будущем будет возможность достаточно экологично строить и эксплуатировать здания и сооружения. Не вредя вечной мерзлоте.

«Болезни» вечной мерзлоты и их лечение

- Андрей Григорьевич, есть ли какие-то новые технологии, которые вы рекомендуете для строительства?

- Мы в последнее время разрабатываем достаточно много новых конструкций фундаментов. По большей части, свайных. Потому что это наиболее подходящий способ устройства фундаментов на вечномерзлых грунтах. Экскавация грунтов для откопки котлована – это достаточно дорогостоящая процедура. Представьте, мерзлый грунт рвать ковшом – техника выходит из строя. Оттаивать нельзя, потому что нижние слои «поплывут». Поэтому бурят скважины и делают сваи – это пока самый экономичный способ.

Если говорить о свайных фундаментах, то мы достаточно активно изучаем винтовые сваи. Проводили с Газпромом испытания на вдавливание, выдергивание. Опробуем разные виды буронабивных и буроинъекционных свай.

- Для чего на Севере нужны термостабилизаторы?

- Термостабилизаторы – это сезонные охлаждающие устройства, которые понижают температуру грунта. Они могут быть горизонтальными, вертикальными, воздушными, жидкостными. Их применяют, когда строят на высокотемпературных грунтах, температура которых близка к нулю.

Иногда термостабилизаторы применяют в аварийных ситуациях - когда под техногенным воздействием грунты оттаяли, и нужно их заморозить. То есть, сделать более устойчивыми, стабильными, обеспечить несущую способность за счет понижения температуры.

 Эстакада Якутской ГРЭС-2

- Среди негативных явлений, встречающихся в вечномерзлых грунтах, обычно называют  пучение, термокарст, эрозию. Какие способы борьбы с ними существуют сегодня?

- Пучение – это увеличение грунта в объеме при замерзании: когда замерзает поровая вода и вода мигрирующая  из подстилающих слоев. По этой теме я как раз защитил диссертацию.

Негативные последствия пучения – поднятие поверхностей, малонагруженых фундаментов. Бывает, даже разрывает сваи. На дачах часто можно увидеть последствия такого пучения: и дома поднимает, и заборы, и дороги. Это, наверное, основной негативный процесс, который доставляет наибольшее беспокойство строителям.

Способы борьбы тут разные. В первую очередь, это понижение температуры грунта, уменьшение  глубины промерзания за счет теплоизоляции. Обмазка фундамента, снижающая его смерзание с этим грунтом. Есть технология засоления грунтов.

Термокарст – это оттаивание и образование воронок. Возникают провалы, куда может провалиться здание. «Лечение» здесь – исключение теплового воздействия.

- Если подвести итог: проблемы вечной мерзлоты, и способы борьбы с негативными явлениями…

- Проблемы – это, в первую очередь, неграмотные изыскания, проектирование. Часто в тендерах участвуют, выигрывают их и заходят на объект организации, которые никогда на мерзлоте не работали.

Плюс неграмотная эксплуатация или ее отсутствие. Подполья нужно очищать от снега, проветривать их, не допускать, чтобы туда попадала вода. Нужно следить за оттаиванием грунтов, деформациями, осадками. Весь комплекс геотехнического мониторинга должен выполняться.

Использование проверенных технологий позволяет снизить аварийное воздействие на основание или фундамент.

 Изучение грунта в лаборатории Центра геокриологии НИЦ "Строительство"

- Обнадежьте нас: так все-таки не будет у нас катастрофического разрушения жилого фонда в связи с потеплением? Сейчас много страхов по этому поводу…

- Изменение климата сказывается, это бесспорно. Но оно больше сказывается на каких-то крупных сооружениях (дамбы, основания мостов и так далее). Дома начнут падать, если их начать откровенно неграмотно эксплуатировать. Могут разрушаться из-за естественного физического износа.

Если за этими зданиями правильно следить, то сохранить их возможно. Применяя, в частности, те самые термостабилизаторы, о которых мы говорили. Или другие конструктивные решения – усиление фундамента буроинъекционными сваями, например.

Если грамотно ко всему подходить, то опасаться нечего. А если разгильдяйство будет продолжаться, то очень удобно потом будет все свалить на глобальное потепление.

Беседу вела Елена МАЦЕЙКО

(на главном фото - жилой район в Норильске)