Вечная мерзлота — явление мирового масштаба. По данным исследователей, она занимает около 25% всей поверхности земли и две трети территории России.
Несмотря на неблагоприятные, суровые климатические условия, эти территории очень богаты полезными ископаемыми. Только в России залегает более 30% разведанных запасов нефти, примерно 60% запасов природного газа, а также каменный уголь и торф, известны богатые месторождения цветных металлов, золота и алмазов. Освоение природных богатств Сибири важно осваивать для роста экономики страны, поэтому возведение зданий и сооружений необходимо даже в сложных условиях вечномерзлых грунтах.
Неотъемлемой частью процесса возведения зданий и сооружений является разработка грунта. Вечномёрзлый грунт — это четырёхдисперсная среда состоящая из воды, газа, льда и твёрдых частиц. Он обладает более высокой прочностью по сравнению с грунтом в обычном состоянии. Например, предел прочности при сжатии мёрзлых суглинков достигает 60 кгс/см2. В связи с этим вечная мерзлота разрабатывается как скальный грунт, расчёт осуществляется по СП 25.13330.2012.
Классификация вечномёрзлых грунтов представлена на рис 1.
При строительстве в вечномерзлых грунтах используют различные варианты фундаментов: свайный, при котором появляется пространство между грунтом и основанием, и ленточный, расположенный непосредственно на земле. При применении первого вида фундамента появившийся зазор обеспечивает естественную вентиляцию мерзлой поверхности, а при применении второго вида необходимо обеспечить высокую теплоизоляцию для сохранения грунта в естественном состоянии.
Существуют различные принципы возведения фундаментов: принцип сохранения мерзлого состояния основания в естественной среде и принцип оттаивания грунта основания и деградации вечной мерзлоты с учетом возможных деформаций.
Первый принцип появился в 30-х годах прошлого века. Применение проветриваемого подполья позволило разработать метод возведения зданий на вечномерзлых грунтах.
Принцип I применяется, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии на протяжении всей эксплуатации. Этот принцип предусматривает: устройство холодных (вентилируемых) подполий или нежилых первых этажей зданий, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов, установку сезонно-действующих охлаждающих устройств, а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания.
Принцип II следует применять при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов, при несплошном распространении вечномерзлых грунтов, а также в тех случаях, когда сохранение мерзлого состояния грунтов не обеспечивает требуемый уровень надежности строительства. Использование этого принципа допускает постепенное оттаивание оснований при эксплуатации.
Эти методы эффективны и надёжны при неизменности климатического состояние окружающей среды. В результате глобального потепления в последние 25-30 лет темп роста температуры грунтового основания составляет в среднем в Сибири 0,05 градуса Цельсия в год.
Повышение температуры приводит к оттаиванию льда в грунтовом массиве, и поэтому он становится водонасыщенным. Таким образом, характеристики основания идут вразрез с проектными, по которым было построено здание. В результате происходит выпучивание грунта, крен здания. Это приводит к необходимости проведению мер по улучшению показателей грунта.
Рассмотрим здание, возведённое по первому принципу с наличием открытого холодного подполья, высота которого не менее 1,4 м от поверхности планировки, что обеспечивает его вентилируемость. Для предотвращения оттаивания грунта в основание существующего здания вводятся охлаждающие элементы: трубы или каналы, а также предусматривается принудительная вентиляция подполья, мощность которой определяется из теплотехнического расчёта.
Охлаждающие трубы, каналы и вентилируемые фундаменты следует укладывать выше уровня подземных вод, в пределах подсыпки из непучинистого грунта с уклонами в сторону объединительных коллекторов. Для уменьшения теплопритока в грунт и высоты подсыпки под полами сооружения следует предусматривать укладку тепло- и гидроизоляции.
Внедрение охлаждающих элементов улучшит характеристики основания и позволит увеличить время эксплуатации здания.