Михаил СЛЕПАК, Сергей ТИХОМИРОВ.
Записал Сергей СЕНАЕВ
Задумывался ли читатель, сколько новых городов и поселков появилось у нас за последнее время? Достаточно взглянуть на карты севера европейской части страны или районов Восточной Сибири и Дальнего Востока. Они усеяны новыми кружочками с диковинными названиями: Новый Уренгой, Сургут, Нефтеюганск... Сразу их не подсчитаешь. Только вдоль трассы БАМа построено около 400 городов и поселков. И, как правило, вырастали они именно в тех местах, где в 11-й пятилетке получили дальнейшее развитие такие крупные территориально-производственные комплексы, как Западно-Сибирский, Тимано-Печорский, Южно-Якутский.
Грандиозные задачи стоят в будущем перед покорителями и строителями Севера. Не так давно Политбюро ЦК КПСС приняло решение о строительстве железнодорожной магистрали Беркакит — Якутск, намечается дальнейшее развитие нефтегазоносных районов Западной Сибири. А это опять прежде всего новые города и поселки.
Построены они будут, как и раньше, молодыми строителями. Самоотверженная работа комсомольцев в освоении северных районов — характерное явление нашего времени. Однако в строительстве новых северных городов остается еще много нерешенных проблем и спорных вопросов. Например, какими материалами обеспечивать строительство в условиях сурового климата, как вести такое строительство рационально и экономично, как найти самое оптимальное решение для надежного возведения зданий на вечномерзлых грунтах?
Решению этих вопросов и была, в частности, посвящена работа молодых ученых «Совершенствование и внедрение методов расчета и конструктивных решений оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах», удостоенная премии Ленинского комсомола в области науки и техники за 1984 год. Ее авторы — молодые ученые НИИ оснований и подземных сооружений B. М. Куприн, М. Э. Слепак, C. М. Тихомиров, А. А. Чапаев, М. М. Иванов, НИИ «Фундамент-проект» С. А. Васильев, С. П. Дмитриева и Якутского филиала Забайкальского ПромстройГПИпроекта А. Н. Цеева.
Основные результаты работы молодых ученых внедрены при проектировании и строительстве гражданских объектов в городах Норильске, Якутске, Улан-Удэ, при обустройстве Харасавейского и Уренгойского газовых месторождений, а также на объектах Южно-Якутского угольного комплекса, благодаря чему получен экономический эффект, превышающий 3 млн. руб.
Сегодня двое из авторов этой работы, лауреаты премии Ленинского комсомола инженеры Сергей ТИХОМИРОВ и Михаил СЛЕПАК, рассказывают о том, какие проблемы и трудности встречаются у строителей и проектировщиков при ведении промышленного и гражданского строительства в северных условиях, о том, как молодежный творческий коллектив, в котором они трудятся, постарался облегчить решение многих из них.
 |
| Проспект В. И. Ленина в Норильске. Все дома на свайных фундаментах. |
СЕВЕРНАЯ ЗАГАДКА
Надо ли лишний раз напоминать, как за последние годы возрос интерес к северным районам нашей страны? Тимано-печорская нефть и норильский уголь, уренгойский природный газ, якутские алмазы и редкие цветные металлы... И это еще далеко не весь перечень тех месторождений полезных ископаемых, которые встречаются здесь. Потому неудивительно, что 49% территории СССР, что находится во владении вечной мерзлоты, в последнее время начали осваиваться и обживаться стремительными темпами. И как результат того — новые города. Крупные, современные: Воркута, Игарка, Тикси, Норильск, Магадан. В области вечной мерзлоты на Вилюе была построена первая в мире ГЭС. За ней вступили в строй и атомные электростанции в Билибине, на Кольском полуострове, открылось движение поездов на всем протяжении трассы БАМа. Неузнаваемо изменились северные районы. Но то ли еще будет?
А ведь было время, когда никто и не помышлял о застройке северной части России. Словно и не существовало ее вовсе. Если не считать маленьких деревянных домиков, возведенных местными жителями или поселенцами, то в районах вечной мерзлоты не велось никакого строительства вообще. Избы одиночек-старателей то и дело перекашивались, чем доставляли хозяевам немало волнений и хлопот.
 |
| Осадка фундамента под зданием привела к его деформации, в результате чего появились трещины. |
А вот еще более наглядный пример — здание Анадырского рыбоконсервного комбината, которое в течение трех лет после постройки разрушилось полностью. Трехэтажные жилые дома в районе Читы за 4—7 лет эксплуатации пришли в аварийное состояние. А на станции Могоча Амурской области здание паровозного депо, фундамент которого был заложен на глубину 4 м, начало разваливаться уже через год. В стенах появились трещины шириной до 3 см, фронтальная стена отклонилась от вертикали на 8,5 см. Ремонтники обнаружили: грунт на глубине почти 5 м оттаял и представлял собой жидкую массу. Обследования, проведенные строителями-специалистами Забайкалья в 1926 году, показали, что почти все здания, воздвигнутые на вечномерзлых грунтах, деформированы, а некоторые из них разрушены полностью.
Эти и другие многочисленные факты поставили перед строителями злободневный вопрос: возможно ли вообще капитальное строительство в условиях вечной мерзлоты? И если возможно, то как возводить сооружения, чтобы они оставались устойчивыми на весь срок службы? Ни в отечественной, ни в зарубежной практике строительства ответа тогда не было.
СЛЕДСТВИЕ ВЕДУТ УЧЕНЫЕ
Систематическое изучение вечной мерзлоты и методов строительства на ней промышленных городов и поселков развернулось в нашей стране в 30-е годы. В 1936 году по инициативе академика В. И. Вернадского была организована комиссия по изучению вечномерзлых грунтов при АН СССР, а в 1939 году на базе созданной комиссии образовался Институт мерзлотоведения под руководством академика В. А. Обручева, который и возглавил исследования в этой области.
Главные вопросы: приемлемы ли типичные методы строительства в условиях сурового холода? Почему возникают осадки фундаментов, а грунт подвергается оттаиванию? Ведь, казалось бы, строить на таких прочных и твердых грунтах, как вечномерзлые,— одно удовольствие. Еще со школьной скамьи мы узнаем: замороженная почва представляет собой прочный монолит, способный выдержать небывалые нагрузки. Действительно, это так. Но и не так. Не стоит удивляться: на Севере иногда бывает все наоборот... Под отапливаемым зданием температура грунта значительно повышается. Содержащиеся в нем крупицы льда вытаивают, и земля, некогда представлявшая монолит, превращается в жидкую массу. Фундаменты начинают «садиться», протаивание и осадка их, как правило, происходят неравномерно, в результате чего на стенах появляются многочисленные трещины.
Значит, чтобы устранить осадки под фундаментами домов, необходимо устранить возможность протаивания вечномерзлых грунтов. Специалистами был разработан способ так называемых «вентилируемых подполий». Здание приподнималось над землей от 0,5 до 1 м, теплота от него уже не передавалась на грунты — это и создавало возможность для регулирования теплового режима основания. В 1933 году впервые в строительной практике по этому методу была возведена тепловая электростанция в Якутске, которая эксплуатируется и по сей день.
Наиболее распространенным типом фундаментов при строительстве способом «вентилируемых подполий» являются сваи. Их использование, во-первых, позволяет избежать трудоемких земляных работ, а во-вторых, они по сравнению с другими типами конструкций обладают повышенной надежностью.
Впервые сваи на Севере были применены более полувека назад. Ставили на них в основном небольшие деревянные домики, изготовлялись они из дерева и забивались в предварительно пропаренный грунт.
В 50-х годах, с развитием каменного строительства, в Норильске, а затем и в других городах Севера стали применять железобетонные, так называемые буроопускные сваи, которые рабочие погружали в предварительно пробуренные скважины. С развитием бурильной техники этот способ как наиболее скоростной и индустриальный был взят на вооружение. В Заполярье началось бурное строительство. Сваи прочно смерзались с грунтом и с завидной легкостью держали многоэтажные дома и промышленные сооружения.
 |
| Свайный фундамент. |
Ученые предложили прибегнуть к искусственному охлаждению. Появилось немало способов. Один из них самый эффективный и, пожалуй, самый дешевый применение термосвай. Новинка удивительно проста по конструкции и надежна в эксплуатации, обладает высокой эффективностью. Даже само ее название говорит о том, что она одновременно совмещает в себе функции холодильника и несущей конструкции. В термосвае циркулирует хладоагент (например, пропан). Зимой, когда температура наружного воздуха значительно ниже температуры грунта, пропан, охлаждаясь в верхней части термосваи, конденсируется в жидкость, и она опускается вниз. Поглощая от грунта тепло и тем самым охлаждая его, пропан испаряется и устремляется вверх. Процесс повторяется непрерывно, напоминая принцип известной детской игрушки «клюющий аист». Такие охлаждающие системы, установленные на ряде объектов Крайнего Севера, показали высокую экономичность и, что особенно важно, практически полную безотказность в работе.
В последние годы начал применяться и другой способ глубинного охлаждения. В пробуренную скважину с помощью специальных лидер-охладителей подается морозный воздух, который и понижает температуру грунта.
При интенсивном освоении Севера строители встретились и с такой проблемой, когда грунт под зданием невозможно сохранить в мерзлом состоянии (температура почвы относительно высока, а тепловыделение от здания — значительно).
Был разработан способ строительства с допуском протаивания грунта. Здание проектировалось с таким расчетом, чтобы его конструкции могли выдержать значительные деформации без появления трещин.
Как видим, современная жизнь давно уже заставила изменить стратегию и тактику застройки северных районов. Если раньше строительство велось только там, где это было возможно, то сейчас города и поселки возводятся там. где это необходимо. Дороги, нефте-газотрассы прокладываются в самых разных направлениях, невзирая на качество и состояние вечномерзлых грунтов. Казалось бы, все вопросы решены. Но никто из ученых и специалистов-мерзлотоведов сегодня не заявил бы такое. Действительно, если раньше подвергалась сомнениям сама возможность строительства на вечномерзлых грунтах, то теперь решаются вопросы, как вести это строительство качественно и экономично. И первые практические результаты показали, что без новых, более точных методов расчета не обойтись.
ДЕТАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ — ОСНОВА УСПЕХА
Еще на первых этапах исследовательской работы наша молодежная творческая группа проектировщиков-мерзлотоведов заинтересовалась вопросом: а нельзя ли повысить несущую способность свайных фундаментов? И мы принялись за расчеты. Приняли во внимание, что несущая способность такого фундамента обеспечивается прежде всего за счет прочности смерзания грунта с боковой поверхностью сваи и его сопротивления под торцом. Были изучены свойства многих вечномерзлых грунтов, встречающихся в строительной практике на Севере. Проследили, как изменяется во времени температура грунтов, нагрузка от сооружения. И на опытах убедились: если при проектировании точно учитывать и рассчитывать каждый из этих параметров, то нагрузки на свайный фундамент можно увеличить на 15—20% в зависимости от места строительства. Это значит, что будут сэкономлены дорогостоящие материалы, сокращены трудозатраты, снизятся сроки ввода объектов в эксплуатацию.
Другой вопрос, которого мы коснулись в своей работе, — экономия материалов в северном фундаментостроении. Особенно важна бережливость в тех районах, где отсутствует собственная база стройиндустрии. Действительно, далеко не в копеечку обходится заброска необходимых материалов и конструкций в северные глубинки. А что делать?
Как и многие другие проектировщики, мы заинтересовались старым как мир вопросом: отчего бы строителям, допустим, не использовать местные материалы? Например, если не хватает бетона для свай, то почему бы не заменять его деревом? Ведь леса в Западной Сибири и на Дальнем Востоке предостаточно — кругом непроходимая многовековая тайга.
Естественно, не обошлось без возражений: мол, дерево для постройки фундаментов зданий применять рискованно. Приводились и доводы: древесина подвергается гниению, а значит, долговечность таких конструкций невелика. Казалось бы, резонно. Однако скептики не учитывали того обстоятельства, что древесина подвергается гниению лишь в пределах слоя сезонного промерзании и оттаивания (деятельного) . А вот в самой толще вечной мерзлоты она прекрасно сохраняется. Вспомните цельнозамороженные туши вымерших мамонтов и носорогов, которые время от времени находят палеонтологи... Значит, дереву тем более ничего не грозит.
 |
Принципиальная схема парожидкостной термосваи (I).
Цифрами обозначены:
1 — наземная (конденсатная) часть сваи;
2 — подземная часть сваи;
3 — заправочно-контрольный вентиль;
4 — жидкий теплоноситель;
5 —- пленка конденсата;
6 — парообразный носитель;
7 — замороженный грунт.
Комбинированные сваи (II):
а) деревометаллическая,
б) деревожелезобетонная.
Цифрами обозначены:
1 — деревянная часть сваи;
2 — металлическая, бетонная части;
3 — металлическая труба;
4 — зоны оттаивающего грунта;
5 — вечномерзлый грунт.
Начальный и анкерный узлы сопряжения
деревожелезобетонных свай (III).
Цифрами обозначены:
1 — деревянная часть сваи;
2 — бетон-заполнитель;
3 — металлическая труба;
4 — нагели;
5 — соединительный элемент.
|
В своей работе мы предложили несколько новых видов стыков деревометаллических и деревожелезобетонных свай. Новинки обеспечивали высокую надежность как при вертикальных, так и при горизонтальных нагрузках и по конструкции были чрезвычайно просты. Например, в одной из свай соединительный элемент между секциями был выполнен в виде штопора, который завинчивался в нижнюю деревянную часть и создавал прочное соединение. Расход дефицитного материала — металла и железобетона — сократился соответственно на 40—50%, а несущая способность свай увеличилась на 20— 25%.
Как уже говорилось, в последние годы для установки фундамента начали применять глубинное охлаждение грунта, температура которого близка к нулю. Эти методы теперь не только экономичны, но и перспективны. Однако их применение с максимальной отдачей возможно лишь в тех случаях, если заранее и наверняка рассчитаны и температурное поле местности, и эффективность охлаждающих устройств в этих грунтах. Лишь тогда можно без ошибок указать, сколько термосвай необходимо установить под здание и какие их конструктивные параметры следует избрать, сколько и как подавать холодного воздуха в скважину для охлаждения грунта. Мы разработали такие расчеты, которые могут быть с успехом применены на практике.
Слишком дорогостоящим и долговременным оказался для строителей способ полного оттаивания территории для установки фундамента в тех местах, где вечную мерзлоту под основанием сооружения, несмотря ни на что, сохранить не удавалось. К тому же был этот метод слишком энергоемок. И когда ученые и проектировщики разработали и предложили новый способ устройства фундаментов в таких зонах — локальное предпостроечное оттаивание,— строители вздохнули с облегчением. Теперь оттаивание производилось не под всем зданием сразу, как делалось ранее, а только в местах забивки свай. Образовывались небольшие зоны из оттаявшего грунта, куда и забивались сваи, уплотняя землю, создавая под собой плотную подушку.
И наш коллектив внес свою лепту в дальнейшую разработку этого метода. Для его обоснования мы разработали методы теплофизических расчетов локально оттаянных зон, которые позволяют определить их размеры, а также срок их выдержки перед забивкой свай.
Применение этого способа обеспечило высокую индустриальность работ нулевого цикла и позволило сократить их объем и сроки. Вот примеры: с помощью нового способа на объектах Уренгойского газового месторождения построено несколько промышленных комплексов, а также сделаны проекты оснований и фундаментов многоэтажных жилых домов 1-го и 2-го микрорайонов города Нового Уренгоя общей площадью 50 тыс.м². Годовой экономический эффект от этого метода составил 1500 тыс. руб. Сроки работ нулевого цикла уменьшились в 1,5 раза по сравнению с площадным оттаиванием.
Впрочем, только ли в Новом Уренгое быстро движется строительство? Теперь это характерная особенность всех районов советского Заполярья, в которых с каждым годом все стремительнее развивается промышленность. Ведь уже сегодня 80% сырьевых ресурсов мы получаем на Севере. Едет туда молодежь со всех уголков страны. Поэтому и жилья строится раз в 10 больше, чем строилось в довоенный период. Строит его молодежь. Строит для молодежи.
Комментариев нет:
Отправить комментарий