Введение

К Крайнему Северу принято относить территории Севера и Северо-Востока страны. Общепризнанной географической южной границы районов Крайнего Севера в настоящее время нет. Однако со строительной точки зрения к этим районам можно условно отнести территорию (рис. 1), на которую распространяются "Правила и нормы планировки и застройки населенных мест Крайнего Севера и Северо-Востока СССР" [6].

Рис. 1. Схематическая карта районов Крайнего Севера и Арктики. 1 - территория Крайнего Севера; 2 - южная граница Арктики

Высокоширотная область Крайнего Севера называется Арктикой. В настоящее время предложено несколько вариантов (положения южной границы этой области. Наиболее распространенным является ее начертание по изотерме +10°С среднемесячной температуры июля - самого теплого месяца в году.

Особые природные и экономические условия районов Крайнего Севера определяют специальные требования к проектированию, строительству и эксплуатации сооружений. Если эти требования не соблюдаются, то сооружения оказываются малопригодными для эксплуатации, неэкономичными, подвергаются недопустимым деформациям или разрушаются.

К числу основных особенностей Крайнего Севера, которые нужно учитывать в инженерной практике, следует отнести суровый климат, вечномерзлое состояние грунтов и экономические условия, обусловленные отдаленностью и малой освоенностью территории.

Климатические особенности, определяющие суровость климата для разных районов Крайнего Севера, изменяются в широких пределах.

Среди этих районов следует выделить арктическую область, где количество тепла, получаемое от солнца, понижено вследствие его низкого стояния над горизонтом. Здесь средняя температура воздуха в январе - марте на побережье около -30 , а абсолютный минимум достигает -53°. Средняя температура в самые теплые летние месяцы на побережье колеблется от + 5 до +9°С.

Зимняя температура в Арктике несколько выше, чем в некоторых глубинных материковых районах; например, в Оймяконе она опускается до -70 °С. Однако арктический климат считается наиболее суровым вследствие частой повторяемости и высоких скоростей ветров в зимнее время. В Арктике количество дней с метелями в несколько раз больше, чем в континентальных районах; например, в Амдерме и на Диксоне метели наблюдаются в течение более чем 100 дней в году, тогда как в Якутске их число не превышает 11, в Охотске - 25.

Среднегодовая скорость ветра на всей прибрежной части Арктики составляет 6-8, а в отдельных пунктах превышает 8 ^м/_сек. В районах Крайнего Севера, удаленных от морских берегов, она значительно ниже, например в Верхоянске - 1,7, Якутске - 2,4 ^м/_сек. Максимальные скорости ветра на берегах морей достигают 50 ^м/_сек, а в некоторых районах -и более ("бора"-"на Новой Земле и "южак" - в районе Певека).

В большинстве континентальных районов Крайнего Севера скорость ветра не превышает 20 ^м/_сек.

Абсолютная влажность воздуха незначительна, относительная на побережье очень высока и находится в пределах 85-90%, а в континентальных районах не превосходит 50-60%. Превышение осадков над испарением в Арктических районах обусловливает заболоченность приморских равнин, хотя общее количество осадков на Крайнем Севере невелико и составляет от 100 до 300 мм, и лишь на западе и крайнем северо-востоке достигает 400-500 мм.

Несмотря на небольшое количество снеговых осадков, районы Арктики отличаются особенно высокой снегозаносимостью. Часто повторяющиеся ветры высоких скоростей собирают снег с больших площадей и откладывают его в понижениях рельефа, у препятствий, нарушая в ряде случаев транспортные связи. Вследствие сухой кристаллической структуры снег легко проникает сквозь неплотности в ограждающих конструкциях.

За полярным кругом в течение части зимы устанавливается полярная ночь, когда солнце не всходит над горизонтом (рис. 2). Недостаток ультрафиолетового облучения в течение длительной полярной ночи отрицательно влияет на здоровье человека и вызывает специфические заболевания. В этот период затрудняется организация и проведение строительных работ на местности.

Рис. 2. График продолжительности полярного дня и полярной ночи (по Н. П. Георгиевскому). 1 - сплошной полярный день; 2 - сумеречные белые ночи; 3 - ночи темные; 4 - дневные околополуденные сумерки; 5 - сплошная полярная ночь

Суровый климат заставляет находить особые планировочные, объемные и конструктивные решения зданий и сооружении. Кроме того, он вызывает -необходимость применения специальных методов производства работ, обеспечивающих монтажную прочность конструкций в условиях сильных ветров и сокращении затрат труда на строительной площадке ввиду повышенных тетерь рабочего времени по метеорологическим условиям и вследствие снегозаносов. Эти потери могут достигать 25% от продолжительности зимнего периода.

Распространение вечномерзлых грунтов является одной из важнейших особенностей строительства на Крайнем Севере.

Грунты называются вечномерзлыми или многолетнемерзлыми^*, если в природных условиях они не протаивают в течение нескольких лет.

^* (В технической литературе и СНиП принято первое наименование.)

От вечномерзлых следует отличать перелетки, под которыми подразумевают грунты, замерзающие зимой и не оттаивающие в течение одного-двух сезонов.

Вечномерзлые грунты распространены на территории, составляющей около 57% всей площади РСФСР. На этих обширных пространствах встречаются многообразные формы залегания "грунтов, которые круглогодично находятся в мерзлом состоянии По площади вечномерзлые грунты могут иметь сплошное, прерывное или островное распространение; среди вечномерзлых грунтов встречаются острова талых грунтов - талики.

По глубине вечномерзлые грунты могут залегать непрерывно или переслаиваться талыми. Слоистое распространение вечно-мерзлых грунтов встречается в районах, где температура на глубине нулевых амплитуд ее колебаний близка к нулю или где грунтовые воды связаны с поверхностными, а также в берегах водоемов.

Поверхностный слой грунта ежегодно протаивает летом и вновь замерзает зимой. Этот слой, называемый деятельным, в период наибольшего сезонного промерзания может быть сливающимся с вечномерзлыми породами или же под ним сохраняется талый прослоек.

В талых и сезонно-талых слоях встречаются грунтовые, надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды, которые могут сообщаться между собой и с водоемами. При промерзании деятельного слоя и наличии в нем четко выраженного потока надмерзлотных вод уменьшается живое сечение водоносного слоя и надмерзлотные воды становятся напорными, что может привести к образованию сезонных бугров пучения (гидролакколитов). Разрыв этих бугров в зимнее время сопровождается образованием наледей. Сезонные бугры пучения высотой до 2-3 м обычно Располагаются у подножия склонов и в долинах малых водотоков, образуются вследствие промерзания подрусловых и прочих подземных потоков и возникают там, где есть преграды в виде промерзшего или слабофильтрующего грунта (рис. 3, а, б), а также где нарушается непрерывность водоупора в кровле водоносного слоя (рис. 3, в).

Рис. 3. Схемы образования грунтовых наледей. а - на участке, оголенном от снега и растительного покрова; б - то же, с образованием наледного бугра; в - под штабелем, сохранившим деятельный слой от промеразания

При промерзании подозерных таликов часто образуются бугры пучения значительных размеров.

Вечномерзлые грунты содержат подземный лед как в виде "мелких кристаллов, так и в качестве самостоятельной горной породы.

Подземные льды могут быть погребенными, пещерно-жильными (образовавшимися при замерзании воды в полостях горных пород) или конституционными, возникшими при замерзании увлажненной породы.

Наиболее (крупные массивы льда встречаются среди повторно-жильных и возникают при заполнении водой морозобойных трещин, образующихся вследствие температурных напряжений и разбивающих породу на отдельности примерно прямоугольной формы в плане (рис. 4)

Рис. 4. Морозобойные трещины и термокарстовое озеро на о. Раутан

Протаивание подземных льдов сопровождается образованием провальных форм рельефа (термокарст), обычно заполняющихся поверхностными или надмерзлотными водами с образованием озер.

На рис. 5 показаны зарисовки форм залегания повторно-жильных льдов, выполненные при инженерных изысканиях в Певеке. Ледяные жилы могут встретиться и на значительно больших глубинах, затрудняющих их обнаружение. Кроме того, проектировщику приходится считаться с возможностью существования подземного льда и между геологическими выработками. Нужно учитывать также, что размеры по вертикали ледяных жил достигают иногда нескольких десятков метров.

Рис 5. План и разрезы по морозобойным трещинам в районе п. Певек, показывающие образование жильных льдов. 1 - моховый слой; 2 - торф; 3 - пески с плоскоокатанной галькой, поставленной на ребро; 4 - песок с гравием; 5 - галька и гравий с песком; 6 - тонкозернистый песок; 7 - лед (с вертикальными линзами песка)

К числу мерзлотно-геоморфологических образований, которыми необходимо считаться при проектировании относятся же деформации поверхности, вызванные солифлюкцией, т. е. медленным течением переувлажненных талых слоев грунта по поверхности вечномерзлых или скальных пород. На рис. 6 показано солифлюкционное сползание берега Россохи. Периодически повторяющиеся сплывы поверхностных слоев приводят к образованию солифлюкционных террас, сложенных рыхлыми грунтами.

Рис. 6. Сплывание грунта на откосе берега р. Россохи (солифлюкция)

Физико-механические свойства мерзлых грунтов зависят от их механического и минералогического составов, размеров и распределения ледяных включений, а также от количества незамерзшей воды. Фазовый состав воды, в свою очередь, не остается постоянным: с увеличением минерализации грунтовой влаги, а также при повышении температуры количество незамерзшей воды увеличивается и прочность грунта уменьшается Поэтому для проектировщика большое значение приобретает прогноз температуры грунта, определяющий его механические свойства.

Вечномерзлое состояние грунтов поддерживается современным климатом в районах, где среднегодовая температура поверхности ниже 0°С. Эта температура отличается от температуры воздуха, так как летом солнечная радиация повышает температуру поверхности, а зимой снежный покров защищает ее от охлаждения. Кроме того, различие указанных температур обусловлено затратами тепла на испарение, затенением поверхности растительностью, наличием культурного слоя, минерализацией грунтовой влаги и др.

С глубиной среднегодовая температура повышается в соответствии с величиной геотермического градиента, который колеблется в пределах 0,02-0,035° С/м (рис. 7).

Рис. 7. Графики температуры грунта. а - в немерзлых грунтах, б - в вечномерзлых породах с низкой температуропроводностью; в - то же, с высокой температуропроводностью; 1 - деятельный слой; 2 - зона аккумуляции; 3 - граница зоны нулевых годовых амплитуд; 4 - кривая максимальных температур; 5 - то же, минимальных температур; 6 - кривая среднегодовой температуры; 7 - нижняя граница

Изменения температурного режима грунтов, связанные с естественным изменением климата и геологическими процессами, происходят крайне медленно по сравнению с обычным срокам эксплуатации сооружения и поэтому не имеют практического значения Для строительства. Колебания среднегодовых и среднемесячных температур по отношению к соответствующим средам многолетним данным существенно сказываются на глубинах сезонного протаивания и промерзания; поэтому отношение максимальной глубины сезонного протаивания к минимальной в средних широтах находится в пределах от 1,1 до 1,3, но высоких широтах Арктики может достигать 2-3.

Колебания температуры воздуха в пределах годичного цикла сказываются на температуре грунтов до глубины 15-30 м, вследствие чего температура грунта на этой глубине обычно называется "температурой на глубине нулевых годовых амплитуд"

Существенной особенностью динамики температур мерзлых грунтов является запаздывание максимальных и минимальных значений с глубиной, что необходимо иметь в виду при использовании материалов инженерных изыскании. Эти значения температур могут быть получены в результате длительных наблюдений или расчетом.

Колебания температуры в течение суток распространяются на небольшую глубину и практического значения для проектирования сооружений не имеют.

При протаивании льдистые грунты дают значительные осадки, а при промерзании глинистых, мелкопесчаных и пылеватых грунтов может происходить их пучение. Однако задача проектировщика заключается не только в том, чтобы предохранить сооружения от опасных проявлений этих процессов, но также в использовании особых свойств грунтов в мерзлом состоянии.

Так, например, повышенное сопротивление нагрузке грунтов в мерзлом состоянии учитывается при назначении размеров фундаментов, устройстве креплений стенок котлованов и горных выработок, а водоупорные качества позволяют производить работы без водоотлива и применять грунты в мерзлом состоянии для устройства противофильтрационных завес. В средних широтах Для искусственного замораживания используются холодильные машины, а на севере, где среднегодовая температура отрицательная, охлаждающие системы могут проектироваться и без искусственных источников холода.

Экономические особенности районов Крайнего Севера обусловливаются не только природными условиями, но и отдаленностью их от центральных районов страны.

Условия строительства на огромной территории Крайнего Севера различны, но его стоимость здесь всегда значительно выше, чем в центральных районах, и составляет по отношению к последним (в %):

Эти географические пункты находятся в относительно благоприятных условиях, так как они связаны с центральными районами железнодорожными или водными путями. В районах удаленных от этих путей сообщения, стоимость строительства может быть еще выше.

Местные условия, в зависимости от которых складывается коэффициент удорожания, различны и поэтому целесообразно проследить повышение отдельных затрат на примере одной из площадок в Заполярье.

Наибольшее влияние на удорожание строительства оказывает повышенная сметная стоимость материалов, в том числе и местных; их удорожание различно. Обычные материалы массового использования в строительстве - вяжущие, лес, битум, шифер - удорожаются примерно на 200%, а металлы и готовые конструкции - всего лишь на 20-70%, поэтому завоз на Крайний Север готовых деталей и применение металлических конструкций позволит существенно снизить стоимость строительства.

Стоимость конструкций, изготовленных на месте, оказывается в ряде случаев более высокой, чем доставленных из центральных районов. Например, в условиях Норильска это удорожание-составляет для металлических конструкций - 120%, железобетонных - 125 % и деревянных - 200-250 %.

На крупных заводах современной строительной индустрии могут быть изготовлены значительно более совершенные конструкции, чем на подсобных предприятиях строек Крайнего Севера.

Удорожание материалов на Крайнем Севере обусловлено высокими стоимостями фрахта, складскими расходами, связанными с хранением грузов в местах их концентрации к началу навигации и на местах потребления в межнавигационный период, а также стоимостью улучшенной тары, необходимость которой вызывается (многочисленными перевалками и длительностью хранения.

В связи с этим облегчение веса деталей, которое может быть достигнуто при применении современных эффективных материалов, является существенным резервом снижения стоимости строительства на Крайнем Севере.

В условиях Крайнего Севера выдерживают экономическое сравнение современные синтетические материалы, в то время как в центральных районах их применение часто удорожает строительство вследствие пока еще высоких отпускных цен промышленности. В качестве примера для условий п. Тикси приведены относительные показатели веса и стоимости различных термоизоляционных материалов с учетом необходимой толщины слоя, при которой обеспечивается равное термическое сопротивление ограждающей конструкции.

Оказывается, что наиболее экономичными являются мипора и пеностекло, которое примерно в два раза дешевле применяющихся в настоящее время пенобетона и минеральной пробки и в 5 раз дешевле древесно-волокнистых плит.

Изоляция из мипоры в 30 раз легче, чем из древесно-волокнистых плит, и в 120 раз легче, чем из пенобетона. Применение наиболее легких утеплителей позволит снизить вес термоизоляционного слоя до 2-3 ^кг/_м² стены, и он может (практически не учитываться как нагрузка на несущий каркас. Поэтому толщина слоя может быть значительно увеличена и соответственно уменьшены расходы на отопление.

Показательно сравнение веса ограждающих конструкций из традиционных материалов для Крайнего Севера с их весом для центральных районов: увеличение веса стен составляет около 60%, а перекрытий - 80%. Такое увеличение веса явно нецелесообразно и подтверждает необходимость применения более эффективных материалов (менее теплопроводных и более прочных).

Высокая стоимость рабочей силы определяется не только повышенной трудоемкостью строительства, но, в первую очередь, более высокими тарифными ставками. Сравнение стоимости рабочей силы только по сметным затратам не отражает в полной мере ее действительного удорожания, так как три этом ,не учитываются дополнительные расходы, связанные со льготами и обеспечением потребностей трудящихся и их семей. Если учесть эти дополнительные затраты, то получим следующие коэффициенты удорожания для различных районов:

Из этого следует, что индустриальные методы строительства на Крайнем Севере оказываются еще более эффективными, чем в средней полосе страны, особенно при завозе готовых конструктивных деталей, изготовленных в средних широтах.

Сопоставление указанного действительного удорожания содержания рабочей силы и удорожания механизмов, составляющего 160-200%, приводит к выводу о том, что экономический эффект механизации на Крайнем Севере оказывается значительно более высоким, чем в центральных районах.

Размеры удорожания накладных расходов и зимнего производства работ подтверждают выводы о необходимости завоза на север готовых конструкций, позволяющих свести к минимуму затраты труда на месте строительства.

При освоении новых отдаленных районов завоз готовых индустриальных изделий на площадку является единственно реальным методом организации строительства, если оно должно быть осуществлено в короткие сроки. Опыт организации подсобного строительного производства на строительной площадке показывает, что для этого необходимо несколько лет. Строительство в таких случаях, как правило, начинается с создания жилого фонда для строителей из деревянных малоэтажных зданий. Возникают неблагоустроенные поселки с примитивным санитарно-техническим оборудованием. В таком виде они сохраняются на многие годы, так как при малой плотности застройки затраты на прокладку инженерных сетей, устройство дорог и т. п. оказываются чрезмерно высокими.

Сравнение различных вариантов проектных решений строительных конструкций, инженерного оборудования, планировки только по сметной стоимости капиталовложений не отражает еще их истинной экономичности. Подсчеты, произведенные для площадки в Запольярье, показывают, что увеличение термического сопротивления стены из распространенных материалов в полтора раз против требуемого по нормам приводит к удорожанию стоимости 1 м² жилой площади примерно на 6%, а в случае применения современных эффективных материалов - только на 1,5-2,0%. В последнем случае на площадках, 1где нет местного (топлива, снижение расходов на отопление в течение двух сезонов полностью окупает указанное выше увеличение первоначальных затрат.

Сокращение расходов тепла может позволить перейти на электрическое отопление, при котором значительно упрощаются конструктивные решения зданий и тепловых сетей.

Применение простых форм в наружной и внутренней отделке, отделочных материалов, окрашенных в массе, долговечных кровель, централизованных систем и автоматики в инженерном оборудовании может в значительной мере сократить расходы по эксплуатации сооружений.

Таким образом, проектные решения должны выбираться на основании одновременного экономического сравнения строительных и эксплуатационных показателей.

Инженерные изыскания и проектирование для условий рассматриваемых районов требуют дополнительного оборудования. Так, например, для полевых исследований мерзлых грунтов необходимы специальные пробоотборники, переносные термостаты для сохранения монолитов, сферические и плоские (горячие) штампы, термометрические станции для дистанционного измерения температур, мерзлотомеры, оборудование электроразведки для съемки подземных льдов и другие приборы.

Лаборатории должны быть оборудованы холодильными камерами с переменным режимом, термостатами, ультратермостатами, калориметрами, одометрами увеличенного размера, солемерами, шаровыми зондами; конструкции сдвижных приборов и стабилометров должны быть усилены.

Инженерные изыскания в районах Крайнего Севера выполняются со значительно большими подробностями, чем в обычных условиях средних широт.

Одной из основных особенностей конструктивного проектирования является необходимость комплексного решения задач методами механики и теплотехники. Однако элементы температурного поля, особенно при нестационарном режиме, не всегда могут быть получены аналитическим расчетом ив этих случаях целесообразно использовать счетно-решающие машины или специальные моделирующие приборы - интеграторы.