ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЫБОР ТИПА ФУНДАМЕНТА В СЕВЕРНЫХ РЕГИОНАХ

THE IMPACT OF CLIMATIC CONDITIONS ON THE CHOICE OF FOUNDATION TYPE IN NORTHERN REGIONS

Churilov Kirill Yurievich

Student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport is a branch of Irkutsk State University of Railways,

Russia, Krasnoyarsk

Oleg Mikhailovich Presnov

Scientific supervisor, Сandidate of Technical Sciences, Associate Professor Krasnoyarsk Institute of Railway Transport is a branch of Irkutsk State University of Railways,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проблема выбора конструктивного типа фундамента в условиях Крайнего Севера и территорий, где доминируют многолетнемерзлые грунты. Описано, как климатические факторы, включая низкие среднегодовые температуры, наличие сезонно-талого слоя и современное изменение климата, обуславливают необходимость применения специфических инженерно-геологических решений. Проанализировано влияние этих условий на рациональный выбор между свайными и мелкозаглубленными фундаментами, с акцентом на применение Принципов I и II, установленных в СП 25.13330.2020, с опорой на нормативные документы и научные публикации.

ABSTRACT

The article considers the problem of choosing a constructive type of foundation in the conditions of the Far North and territories dominated by permafrost soils. It describes how climatic factors, including low annual average temperatures, the presence of a seasonal melt layer and modern climate change, necessitate the use of specific engineering and geological solutions. The influence of these conditions on the rational choice between pile and shallow foundations is analyzed, with an emphasis on the application of Principles I and II established in SR 25.13330.2020, based on regulatory documents and scientific publications.

Ключевые слова: вечная мерзлота, северные регионы, фундаменты, свайные основания, термостабилизация, геокриология, сезонно-талый слой.

Keywords: permafrost, northern regions, foundations, pile foundations, thermal stabilization, geocryology, seasonal melt layer.

Северные территории Российской Федерации, составляющие значительную часть ее площади, представляют собой уникальный строительный полигон, где климатические и геокриологические условия являются доминирующими факторами, определяющими безопасность и экономическую целесообразность капитального строительства. Обширные площади, лежащие в зоне многолетнемерзлых грунтов, покрывают более 60% территории страны [1]. Экстремально низкие среднегодовые температуры, высокая льдистость многих грунтов и значительная глубина сезонного протаивания требуют от инженеров применения принципиально иных подходов к проектированию оснований по сравнению с регионами с ненарушенным тепловым режимом. Главный вызов, который климат ставит перед строителями, заключается в необходимости управления тепловым взаимодействием между зданием и грунтовым основанием. Нарушение естественного теплового равновесия многолетнемерзлых грунтов вследствие застройки может инициировать процесс оттаивания грунтов под зданием. Это, в свою очередь, приводит к потере несущей способности, катастрофическим неравномерным осадкам и кренам, что критически снижает эксплуатационную надежность сооружений [2]. Следовательно, проектирование фундамента на Севере неразрывно связано с прогнозированием изменения температуры грунта в течение всего срока службы объекта, особенно в свете наблюдаемых климатических изменений.

Климат северных широт формирует комплекс взаимосвязанных геокриологических явлений, требующих учета при проектировании фундаментов. Основными климатическими угрозами являются: длительные периоды отрицательных температур, интенсивное сезонное промерзание/оттаивание и прямое тепловое воздействие антропогенных факторов.

Температурный режим грунтов определяет их физико-механические свойства. Грунты, залегающие при температурах значительно ниже нуля, обладают высокой прочностью, сравнимой с прочностью скальных пород. Однако критической зоной является переход от отрицательных температур к нулевым отметкам. В этой зоне, даже незначительный приток тепла от инженерных коммуникаций или самого здания может запустить процесс оттаивания. Если грунты насыщены водой и льдом (льдистые суглинки, глины), оттаивание приводит к образованию зон таликов и резкой потере объема, что немедленно вызывает просадку основания. Просадочность может достигать значений до 10-20% от толщины оттаявшего слоя [3].

Второй важный аспект — динамика сезонных колебаний. Наличие сезонно-талого слоя является фактором риска для мелкозаглубленных конструкций. Летом, когда сезонно-талого слоя оттаивает, он становится пластичным и не может нести высокие нагрузки, вызывая неравномерные осадки. Зимой же происходит морозное пучение — увеличение объема грунта за счет намерзания льда в порах, что создает мощные выталкивающие силы, способные приподнять или опрокинуть фундамент. Ветровые и снеговые нагрузки, характерные для северных регионов, также косвенно влияют на фундамент, увеличивая общую нагрузку на сваи, а также способствуя созданию наледей, которые могут изменять тепловой баланс основания.

Особое внимание уделяется изменению климата. Наблюдаемое потепление приводит к повышению среднегодовой температуры многолетнемерзлых грунтов, что сокращает “запас холода” грунта. Это делает Принцип I (сохранение мерзлоты) менее надежным в долгосрочной перспективе, особенно для сооружений с длительным сроком службы. Поэтому современные проекты требуют оценки стабильности основания не только на текущий момент, но и на 50-100 лет вперед, часто требуя обязательного использования активных или пассивных систем термостабилизации [6].

Выбор между двумя основными подходами, зафиксированными в СП 25.13330.2020, базируется на оценке климатических рисков и просадочности грунта.

Применение Принципа I (сохранение мерзлого состояния) является основой для строительства на просадочных и льдистых грунтах. Здесь доминирующей конструкцией выступает свайный фундамент. Сваи должны быть заглублены ниже расчетной глубины сезонного протаивания, чтобы гарантировать передачу нагрузки на постоянный, не подверженный сезонным колебаниям слой. Существует несколько типов свай, выбор которых зависит от местных условий: забивные сваи (быстрый монтаж, но высокая вибрация, не всегда применимо), буроопускные сваи (наиболее распространенные, часто с устройством уширенной пяты для увеличения площади опирания в мерзлом грунте), а также винтовые сваи (для легких конструкций). Необходимость предотвращения теплопередачи от здания к грунту реализуется через создание проветриваемого подполья с высотой, исключающей перенос тепла. Когда естественного охлаждения недостаточно, климатическая угроза устраняется искусственно — с помощью сезонно-действующих охлаждающих устройств. Эти устройства активно извлекают тепло из грунта зимой, создавая вокруг свай и под ними зону глубокого промерзания. Это прямое технологическое вмешательство для компенсации климатического воздействия [7].

Принцип II (использование грунтов в оттаявшем состоянии) применяется в исключительных случаях, когда грунты основания, даже после оттаивания, сохраняют достаточную несущую способность (например, скальные, крупнообломочные грунты, или пески с низкой льдистостью). Принцип требует обязательного предварительного оттаивания грунтов, что является длительным и дорогостоящим процессом. После оттаивания грунт уплотняется до требуемой плотности, и уже на этом уплотненном основании возводится фундамент мелкого заложения (ленточный или плитный). Однако, если грунты высокопросадочные, Принцип II неприменим, поскольку неконтролируемые осадки после сдачи объекта неизбежны [4].

Инженерное решение в криолитозоне всегда балансирует на грани температурного режима. Геокриологическое зонирование показывает, что чем ближе температура грунта к нулю, тем большее техническое и экономическое обоснование имеет Принцип I, часто требующий термостабилизации.

В регионах с “холодными” многолетнемерзлыми грунтами, температура которых значительно ниже нуля, например, в северной части Якутии, риск сезонного оттаивания ниже, и возможно применение более простых мелкозаглубленных решений при условии, что подполье хорошо вентилируется. Однако, в зонах “теплых” многолетнемерзлых грунтов, распространенных, например, в Западной Сибири, где климат более мягкий, а среднегодовая температура близка к критической, свайные поля становятся единственно возможным решением.

Кроме того, климат влияет на выбор материалов. Высокая влажность и частые циклы замораживания-оттаивания требуют использования бетонов с повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью, что увеличивает первоначальные затраты. Ветровые нагрузки, характерные для открытых арктических ландшафтов, требуют, чтобы сваи имели достаточную длину и были правильно объединены ростверком, чтобы обеспечить общую жесткость конструкции и минимизировать горизонтальные смещения, вызванные динамическим воздействием ветра [8].

С экономической точки зрения, хотя свайные решения дороже в реализации, они значительно снижают риски капитальных ремонтов, связанных с деформацией, вызванной климатическими факторами. Игнорирование климатического прогноза и выбор более дешевого мелкозаглубленного фундамента на просадочном грунте ведет к многократному превышению сметы в течение срока службы здания [9]. Таким образом, климатическая стабильность напрямую конвертируется в экономическую устойчивость объекта.

Заключение

Было установлено, что ключевые климатические факторы — среднегодовая температура грунта, влажность и интенсивность сезонного протаивания — определяют применимость двух фундаментальных принципов строительства. Принцип I, основанный на использовании свай для передачи нагрузки на глубокие, незатронутые оттаиванием слои, остается безальтернативным для высокольдистых и просадочных грунтов, особенно в условиях, когда температура грунта близка к нулю. Он демонстрирует большую надежность перед лицом современного климатического потепления, которое угрожает стабильности “теплых” многолетнемерзлых грунтов.

Активное применение систем термостабилизации в рамках Принципа I представляет собой необходимую технологическую надстройку, позволяющую искусственно стабилизировать тепловой режим основания, что гарантирует сохранение проектной несущей способности свай на протяжении всего срока службы сооружения. В то же время, Принцип II, требующий предварительного оттаивания и уплотнения грунта, является допустимым, но высокорискованным выбором, применимым только для непросадочных систем, что ограничивает его широкое использование в криолитозоне.

Экономический аспект также подтверждает превосходство надежных решений: хотя начальные инвестиции в свайные поля и термостабилизацию выше, долгосрочные эксплуатационные расходы, связанные с ремонтом деформаций, вызванных морозным пучением или просадками, многократно превышают первоначальную экономию от использования мелкозаглубленных фундаментов в нестабильных условиях. Таким образом, климатическая устойчивость в Арктике напрямую конвертируется в экономическую целесообразность проекта. В свете продолжающихся климатических изменений, дальнейшее развитие строительной науки должно быть сосредоточено на оптимизации систем термостабилизации и разработке новых, более энергоэффективных методов контроля теплового взаимодействия между антропогенными объектами и вечномерзлым основанием, обеспечивая тем самым безопасное и устойчивое развитие инфраструктуры на Севере.

Список литературы:

1. Абрамов, Н. М. Инженерная геология и гидрогеология. Основы мерзлотоведения: Учебник для вузов / Н. М. Абрамов. – Москва: Издательство АСВ, 2017. 384 с.
2. Белокопытов, В. А. Надежность фундаментов зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты / В. А. Белокопытов. – Санкт-Петербург: Стройиздат, 2014. 250 с
3. Кондратьев, В. Н. Основы мерзлотоведения и грунтоведения. Расчеты на просадку / В. Н. Кондратьев. – Якутск: Издательство СВФУ, 2018. 350 с.
4. Попов, В. Н. Проектирование и строительство зданий на слабых основаниях: Учебное пособие / В. Н. Попов, А. П. Смирнов. – Москва: МГСУ, 2016. 280 с.
5. СП 25.13330.2020. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. – Москва: Минстрой России, 2020. 72 с.
6. Сорочан, Ю. М. Влияние климатических изменений на устойчивость криогенных оснований / Ю. М. Сорочан // Вестник гражданского строительства. – 2021. – № 4, 201–215 с.
7. СНиП 2.02.04-88. Строительство на вечномерзлых грунтах // Госстрой СССР. – Москва, 1988.
8. Фадеев, И. Р. Ветровые и снеговые нагрузки на высотные сооружения в Арктической зоне / И. Р. Фадеев // Промышленное строительство. – 2022. – № 2, 40–47 с.
9. Цыпышев, Д. Г. Экономическая оценка долговечности фундаментов на вечной мерзлоте / Д. Г. Цыпышев // Строительство и реконструкция. – 2019. – № 11, 18–25 с.