Восстановление эксплуатационной пригодности оснований и фундаментов в Арктической зоне и криолитозоне России

Введение

Возрастающие темпы строительства социальной инфраструктуры и необходимость повышения уровня жизни населения требуют пристального внимания, особенно в регионах со сложными климатическими условиями, таких как Арктическая зона и криолитозона России. Здесь проблема недостаточного строительства жилья усугубляется значительным объемом ветхого и аварийного фонда. На фоне растущей доли аварийного жилья в Арктических регионах вопрос технического состояния зданий приобретает первостепенное значение.

Известно, что в последние годы удельный вес аварийного жилья в Арктике вырос. Например, на сегодня доля аварийного жилья в Архангельской области составляет 8,2 %, в Республике Саха (Якутия) – 7,5 %, в Ямало-Ненецком автономном округе – 6,9 %, в Ненецком автономном округе – 5,2 % [1]. Большое влияние на техническое состояние зданий и сооружений оказывают деформации оснований и фундаментов.

В криолитозоне эти деформации часто связаны с ухудшением строительных свойств многолетнемерзлых грунтов, происходящим при повышении их температуры. Этот процесс ускоряется в условиях глобального потепления климата. Повышение температуры воздуха на 2023 год, по данным Росгидромета, составляет 0,5 °C за 10 лет [2].

Как отмечает В. П. Мельников и др. [3], в условиях повышения среднегодовой температуры приземного воздуха ущерб для зданий и инженерных сооружений в Арктической зоне к середине столетия может достигнуть порядка 5–7 трлн руб. К районам с наибольшим возможным экономическим ущербом для гражданских зданий относятся городской округ Воркута Республики Коми, Ямало-Ненецкий автономный округ, а также Таймырский Долгано-Ненецкий район Красноярского края.

Это обусловливает необходимость разработки мероприятий по улучшению строительных свойств оснований и усилению фундаментов многоквартирных домов в населенных пунктах Арктической зоны и криолитозоны России в соответствии с Решением Совета по вопросам развития Дальнего Востока, Арктики и Антарктики при Совете Федерации.

Занятие и удержание лидерских позиций в освоении и использовании Арктики, а также повышение возможности качественной адаптации экосистем, населения и отраслей экономики к климатическим изменениям сегодня являются приоритетами научно-технологического развития страны в соответствии со Стратегией научно-технологического развития России, утвержденной в 2016 г., что подтверждает актуальность проводимых исследований.

В каждом конкретном регионе геокриологические, климатические и другие условия могут различаться существенным образом. В зависимости от этих условий негативные воздействия и подверженные этим воздействиям конструкции зданий также различаются.

Целью работы, описанной в данной статье, являлась разработка мероприятий по восстановлению эксплуатационной пригодности оснований и фундаментов зданий и сооружений в криолитозоне.

Для достижения цели решался комплекс задач:

– систематизация данных архивных отчетов по причинам деформирования оснований в Арктической зоне и криолитозоне России и описание зависимости этого деформирования от условий эксплуатации зданий и сооружений;

– обзор и анализ современной научно-технической литературы по закреплению грунтов оснований и усилению фундаментов с определением достоинств, недостатков и областей применения существующих способов, а также установлением пробелов в действующей нормативной документации;

– разработка мероприятия по восстановлению эксплуатационной пригодности оснований и фундаментов, включающего область применения, сроки выполнения и состав поверочных расчетов оснований и фундаментов, критерии, определяющие необходимость проведения мероприятий, информацию о последовательности выполнения работ, используемом оборудовании, основных технологических параметрах и мероприятиях по контролю качества выполненных работ.

Причины деформирования фундаментов зданий в Арктике и криолитозоне

В период 2019–2020 гг. сотрудники НИИОСП им. Н. М. Герсеванова провели обширные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на оценку технического состояния ключевых зданий и сооружений в городах девяти российских регионов, составляющих Арктическую зону.

В процессе обследования были выявлены основные дефекты конструкций, проведены измерения прочности железобетонных фундаментов и определены температуры многолетнемерзлых грунтов оснований. Основными дефектами, обнаруженными в конструкциях зданий, оказались трещины вследствие осадки фундаментов и разрушения, вызванные замачиванием. Осадки фундаментов зачастую связаны с изменением свойств грунтов из-за повышения температур или полного оттаивания.

Диаграмма, представленная на рис. 1, иллюстрирует распределение дефектов по их типам в городах: Мурманской области (Мурманск, Апатиты), Республики Карелия (Кемь, Лоухи), Архангельской области (Архангельск, Мезень), Республики Коми (Воркута, поселок Воргашор), Ненецкого автономного округа (Нарьян-Мар, поселок Искателей), Ямало-Ненецкого автономного округа (Салехард, Новый Уренгой), Красноярского края (Норильск, Дудинка), Республики Саха (Якутск, Мирный) и Чукотского автономного округа (Анадырь, поселок Угольные Копи).

Анализ диаграммы на рис. 1 показывает, что существует зависимость между среднегодовой температурой приземного воздуха в рассматриваемом регионе и распространением различных типов дефектов (разрушения, трещины, замачивание конструкций).

На рис. 2 представлены зависимости процентного отношения каждого типа дефектов к их общему количеству от среднегодовой температуры приземного воздуха.

Коэффициенты детерминации составляют от 0,75 до 0,89, что подтверждает наличие данных зависимостей.

Как известно, среднегодовая температура приземного воздуха определяет температурное состояние грунтов основания. К районам распространения многолетнемерзлых грунтов относятся области отрицательных среднегодовых температур воздуха.

Из графика на рис. 2 видно, что со снижением среднегодовой температуры воздуха увеличивается доля трещин в общем количестве дефектов. Развитие трещин, в отличие от разрушений и замачивания, зависящих от долговечности и надежности конструкций и материалов, связано в первую очередь с возникающими неравномерными деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений.

Полученные выводы учтены при анализе современной научно-технической, нормативной и методической литературы по закреплению грунтов и усилению фундаментов.

Анализ способов закрепления грунтов и усиления фундаментов

Требования по закреплению грунтов и усилению фундаментов устанавливаются следующими нормативными документами:

– СП 22.13330.2016 «СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений» [4];

– СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты» [5];

– СП 45.13330.2017 «СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения, основания и фун­даменты» [6].

СП 22.13330.2016 [4] содержит раздел по проектированию немерзлых оснований при реконструкции зданий и сооружений, включающий указания по оценке влияния строительно-монтажных работ на окружающую застройку, и раздел по способам уменьшения деформаций оснований и их влиянии на здания и сооружения.

Особенности проектирования свайных фундаментов при реконструкции сооружений отражены в одном из разделов СП 24.13330.2021 [5].

СП 45.13330.2017 [6] распространяется на производство и приемку земляных работ, устройство оснований и фундаментов при реконструкции зданий и сооружений, содержит разделы по закреплению, уплотнению, армированию и искусственному замораживанию грунтов.

Нормативные требования по закреплению мерзлых грунтов и усилению фундаментов в СП 25.13330.2020 «СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [7] отсутствуют. СП 496.1325800.2020 «Основания и фундаменты зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах. Правила производства работ» [8] содержит требования по земляным работам и устройству фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, включая мероприятия по адаптации строительных конструкций к восприятию деформаций, обусловленных постепенным оттаиванием основания, а также требования по установке сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ) и систем термостабилизации грунта (ТСГ).

С 1960 по 2000 г. в Северном отделении НИИОСП Госстроя СССР в городе Воркуте проведено большое количество научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на темы электрооттаивания, замораживания и закрепления оснований в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

В 1974 г. разработаны «Рекомендации по проектированию и устройству оснований и фундаментов с предпостроечным оттаиванием вечномерзлых грунтов» [9], включая способы электро-, гидро- и парооттаивания. В Рекомендациях излагаются способы расчета глубины оттаивания мерзлых грунтов и осадки оттаивающих грунтов во времени, способы оттаивания, рекомендации по расчету фундаментов, а также контролю выполнения строительно-монтажных работ и мониторингу при эксплуатации.

В 1977 г. разработано «Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаивающих грунтов» [10]. Руководство содержит способы предпостроечного улучшения строительных свойств грунтов, включающие оттаивание при положительных и отрицательной температуре грунтов слоя сезонного промерзания и оттаивания и многолетнемерзлых грунтов при помощи электроэнергии и химических реагентов, а также способы уплотнения и противопучинистой стабилизации.

В 1984 г. разработаны «Рекомендации по проектированию и применению в строительстве охлаждающих установок, работающих без энергетических затрат» [11], в которых рассмотрены конструкции парожидкостных охлаждающих установок, характеристики теплоносителей, особенности монтажа, испытаний, эксплуатации и заправки.

В 2018 г. в НИИОСП им. Н. М. Герсеванова проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по исследованию буроинъекционных свай и струйной технологии в многолетнемерзлых грунтах.

В 2020 г. проведено исследование физико-механических свойств повторно замороженных грунтов в зонах локальных таликов, в 2023 г. – исследование влияния технологии устройства буроопускных свай в районах распространения многолетнемерзлых грунтов на их несущую способность при использовании оснований по принципу I, где рассмотрены вопросы применения цементно-песчаного раствора для заполнения скважин и воздействия на сваи касательных сил морозного пучения.

Выбор способов закрепления грунтов или усиления фундаментов во многом зависит от причин, вызывающих необходимость усиления, и условий проведения соответствующих мероприятий [12]. В районах распространения многолетнемерзлых грунтов особыми условиями проведения мероприятий по закреплению грунтов и усилению фундаментов являются отрицательная температура и структурная неустойчивость основания. В связи с этим арсенал применяемых способов существенно сокращается.

В настоящее время в качестве способов улучшения механических свойств грунтов при использовании оснований по принципу I применяется искусственное замораживание, а при использовании оснований по принципу II – искусственное оттаивание с последующим уплотнением.

Для закрепления грунтов с помощью заморозки проводится тепловизионная диагностика СОУ, ремонт или дозаправка и при необходимости – установка дополнительных термостабилизаторов грунта. Количество СОУ, требующихся для дополнительной установки, определяется по результатам теплотехнического расчета.

При необходимости заморозки основания в сжатые сроки или в теплый период года могут применяться термостабилизаторы грунта круглогодичного действия с заданным режимом работы. Требуемый режим работы термостабилизаторов также устанавливается теплотехническим расчетом.

Мероприятия по замораживанию грунтов, в том числе с помощью термостабилизаторов грунта, не рекомендуется применять для оттаявших пучинистых грунтов в связи с возможными деформациями оснований и фундаментов, возникающими при замерзании грунтов.

При этом известны такие способы закрепления грунтов, как электрохимическое закрепление и силикатизация, цементация и струйная цементация, а также способы усиления фундаментов с использованием буронабивных и буроинъекционных свай. Далее приведены достоинства, недостатки и область применения этих способов.

После оттаивания многолетнемерзлые сильнольдистые грунты нуждаются в повышении прочности, уменьшении сжимаемости под нагрузками и в других видах улучшения. В качестве методов улучшения строительных свойств оттаивающих грунтов могут использоваться: электрообработка постоянным электрическим током, электрохимическая обработка и силикатизация.

Силикатизация может применяться в песчаных, в том числе оттаивающих, грунтах. Достоинствами способа являются наличие разработанных и апробированных технологий в оттаивающих грунтах, возможность совмещения процессов оттаивания и закрепления и существенный радиус усиления грунта вокруг скважины до 1 м. Недостатками – высокая стоимость химических веществ, длительный процесс затвердевания и отсутствие достаточного опыта применения в мерзлых грунтах.

Несмотря на наличие большого числа разработок в советский период, метод силикатизации оттаивающих грунтов в криолитозоне не применяется. Сегодня требуется проанализировать и обобщить накопленную базу данных по опыту проектирования искусственного оттаивания и силикатизации оттаивающих грунтов для дальнейшего использования технологии при реконструкции зданий и сооружений в криолитозоне.

Инъекция цементных растворов для закрепления грунтов в Арктической зоне и крио­литозоне России также является актуальным направлением для исследований. Об этом свидетельствует сравнительно большое количество опубликованных результатов научно-исследовательских и практических работ.

В статье [13] приведены результаты замещения грунтов, подверженных морозному пучению, при сооружении сухого дока в с. Белокаменка Мурманской области. Для замещения пучинистых грунтов в зоне контакта ограждающей конструкции котлована, выполненной из стального трубного шпунта, с донными отложениями использовалась технология струйной цементации Jet-1 с условным диаметром формируемой грунтоцементной колонны 600–800 мм.

О возможности цементации оттаивающих трещиноватых сланцев и песчаников, а также щебенистых и дресвяных грунтов свидетельствует опыт производства работ на обогатительной фабрике в Каларском районе Забайкальского края [14]. Для стабилизации и укрепления основания фундаментов машин, механизмов и несущих конструкций промышленного здания использовалась цементация грунтов через горизонтально-направленные скважины, расположенные под фундаментом на глубине 6,5–7,0 м.

Потенциально эффективным методом закрепления грунтов, используемых по принципу II, является струйная цементация, которую можно применять для одновременного оттаивания и закрепления путем глубинного перемешивания грунтов с раствором.

В работе [15] изложены результаты статических испытаний фрагментов грунтоцементных колонн в мерзлом грунте и результаты испытаний по определению прочности грунтоцемента, твердевшего при отрицательной температуре. Авторы полагают, что использование технологии струйной цементации в криолитозоне возможно и перспективно, а в определенных геотехнических условиях применение технологии позволит сократить сроки строительства и снизить экономические затраты.

Это отчасти подтверждается наличием разработанных НИИОСП в 1986 г. «Рекомендаций по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с применением гидроструйной технологии» [16], в которых описана технология проходки скважин с помощью гидроструи под высоким давлением – до 20–40 МПа, а также методика расчета буронабивных свай с уширенной пятой в многолетнемерзлых грунтах, в том числе свай, изготовленных с химическими добавками для обеспечения твердения бетона.

Цементация может применяться в трещиноватых скальных, крупнообломочных и гравелистых песчаных грунтах. Струйная цементация – во всем диапазоне гранулометрического состава грунтов (от крупнообломочных до мелкодисперсных глинистых грунтов). Достоинствами способов являются значительное улучшение характеристик грунта и возможность устройства грунтоцементных колонн. Недостатками – отсутствие достаточного опыта применения в мерзлых грунтах, ограниченное применение при отрицательных температурах из-за необходимости твердения растворов и возможность возникновения разнородности цементной матрицы.

Значимым научным направлением для исследований является устройство буронабивных и буроинъекционных свай в многолетнемерзлых грунтах, используемых по принципу I, с сохранением мерзлого состояния грунтов, и по принципу II, с оттаиванием основания, при реконструкции зданий и сооружений в криолитозоне.

Возможность устройства буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах, наряду с использованием буроопускных свай, всегда интересовала исследователей и строителей северных городов (Норильск, Якутск, Мирный, Воркута и др.). Вопросами устройства буронабивных свай в криолитозоне начиная с 1960 года занимались в Северном отделении НИИОСП, НИИЖБ, Институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, Якутском филиале Красноярского Промстройниипроекта.

В настоящее время в центре геокриологических и геотехнических исследований НИИОСП им. Н. М. Герсеванова ведется разработка способов устройства буронабивных и буроинъекционных свай в условиях отрицательной температуры многолетнемерзлых грунтов путем использования различных составов раствора с химическими добавками.

Опубликованы результаты двух научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ [17–19], в рамках которых обобщены данные по значениям параметра расчетного сопротивления грунтов сдвигу на контакте с буровыми сваями, изготовленными с применением различных химических добавок. Проведены статические испытания опытных буронабивных свай на площадке в городе Якутске. Разработаны коэффициенты условия работы многолетнемерзлых грунтов на боковой поверхности буровых свай.

Различные технологии устройства буронабивных и буроинъекционных свай могут применяться во всем диапазоне гранулометрического состава дисперсных грунтов, а также в скальных и крупнообломочных грунтах. Достоинствами способов являются снижение стоимости усиления фундамента, вариативность конструкции, возможность устройства уширений и возможность работы в стесненных условиях вентилируемого подполья. Недостатками – отсутствие достаточного опыта применения в мерзлых грунтах и необходимость обеспечения твердения растворов при отрицательных температурах.

Полученные в ходе анализа способов закрепления грунтов и усиления фундаментов результаты позволяют сделать вывод о необходимости увеличения объемов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, апробирования технологий на реальных строительных объектах и разработки мероприятий по восстановлению эксплуатационной пригодности оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах.

Мероприятия по восстановлению эксплуатационной пригодности

Геотехнический мониторинг оснований и фундаментов в криолитозоне проводится в течение всего срока эксплуатации зданий [7]. Для установления причин деформирования строительных конструкций, в том числе основания и фундаментов, проводится обследование технического состояния. Далее выполняются расчеты конструкций по предельным состояниям, устанавливается наличие отказов строительного объекта в соответствии с ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» [20].

Надежность работы здания определяется совместной работой основания, фундамента и надземных конструкций, а отказы в работе возникают в результате нарушения их надежной работы. В данном случае проводится реконструкция здания, выполняется закрепление грунтов основания или усиление строительных конструкций.

Отказы оснований могут возникать из-за отклонений от требований нормативных докумен­тов по изысканиям и проектированию, а также отклонений от проектной документации при строительстве и эксплуатации. Также они могут возникать в результате активизации опасных геологических процессов [21].

В результате проведенных работ определены основные причины возникновения отказов зданий в криолитозоне:

– снижение механических характеристик мерзлых грунтов при повышении температуры и активизации опасных геокриологических процессов;

– снижение механических характеристик мерзлых грунтов в результате воздействия подземных вод и техногенного замачивания;

– воздействие на фундаменты сил морозного пучения грунтов;

– деградация механических свойств материалов фундаментов при замачивании и переменном замерзании-оттаивании;

– проведение земляных работ в пределах или вблизи застройки.

Реконструкция зданий зачастую происходит в условиях стесненной застройки. Это предопределяет необходимость использования специального оборудования и способов производства работ. Возможность применения стандартных способов закрепления грунтов и усиления фундаментов зачастую отсутствует. Способ выбирается исходя из необходимости обеспечить совместную работу новых конструкций и материалов с основанием и существующими фундаментами и зависит от нагрузок, конструкции фундаментов, геокриологических и других условий.

В связи с этим следует регламентировать процессы определения отказов оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, проведения обследования их технического состояния с учетом выбранного принципа использования грунтов, назначения компенсирующих мероприятий до наступления отказов, назначения мероприятий по восстановлению эксплуатационной пригодности.

В качестве компенсирующих мероприятий до наступления отказов при повышении температуры основания может выполняться контроль температуры внутреннего воздуха, дополнительная теплоизоляция перекрытия, повышение продуваемости подполья, организация отвода поверхностных вод, ремонт коммуникаций (при утечках), расчистка снега, тепловизионная диагностика, ремонт, дозаправка, а при необходимости установка новых термостабилизирующих устройств.

При возникновении непредвиденных деформаций фундаментов в качестве компенсирующих мероприятий могут выполняться внеплановые ремонтно-восстановительные работы, рихтовка фундаментов, устройство дополнительной теплоизоляции и термостабилизаторов, организация отвода поверхностных вод.

Выводы

1. В результате работы установлено, что существует зависимость процентного отношения типа дефектов к их общему количеству от среднегодовой температуры приземного воздуха. Со снижением температуры воздуха увеличивается доля трещин в общем количестве дефектов. Развитие трещин связано в первую очередь с возникающими неравномерными деформациями фундаментов зданий при повышении температуры грунтов.
2. Действующие нормативно-технические документы не содержат требований по закреплению оснований и усилению фундаментов в криолитозоне. Перспективными способами являются электрохимическое закрепление и силикатизация, цементация и струйная цементация, использование буронабивных и буроинъекционных свай. При этом их основным недостатком является отсутствие достаточного опыта применения в мерзлых грунтах.
3. Полученные результаты говорят о необходимости увеличения объемов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, апробирования технологий на реальных строительных объектах и разработки нового свода правил «Основания и фундаменты зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах. Обследование и восстановление эксплуатационной пригодности».