Введение.
Как известно, одним из наиболее важных параметров, определяющих несущую способность многолетнемерзлых грунтов оснований, является их температура. Проектирование фундаментов сооружений, для которых в качестве оснований используются многолетнемерзлые грунты, требует знания значений температуры грунтов не только тех, которые определяются на стадии инженерных изысканий, но и их значений с учетом изменения в процессе строительства и эксплуатации инженерного сооружения. Прогноз изменения температур грунтов в период жизненного цикла сооружения с учетом практически всего комплекса факторов, оказывающих влияние на температурный режим грунтов, сегодня осуществляется с помощью численных методов, реализованных в виде программных комплексов, позволяющих выполнять моделирование в 2-х и 3-х мерных постановках. Основные требования к выполнению прогнозных теплотехнических расчетов содержатся в следующих нормативных документах:
- СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88»;
- РСН 67-87 «Инженерные изыскания для строительства, составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами».
Одним из главных факторов, влияющих на формирование температурного режима грунтов в основании большинства инженерных сооружений (не относящихся к сооружениям с повышенными тепловыделениями) в период их эксплуатации является температура воздуха. В теплотехнических расчетах, как правило, используются их среднемесячные значения, которые назначаются в зависимости от региона в соответствии с данными СП 131.13330.2018 "СНиП 23-01-99* Строительная климатология". При этом, помимо того, что от года к году среднемесячные значения температуры воздуха могут существенно отличаться, существует еще одна сложность, связанная с прогнозом температур воздуха в будущем – учет тренда глобального изменения климата.
Проблема, связанная с особенностями учета фактора глобального потепления климата при проектировании фундаментов, рассмотрена на примере объектов строительства, расположенных в центральной части п-ва Ямал. Теплотехнические расчеты выполнялись в программном комплексе «Борей 3D» (Рис. 1).
Район строительства относится к центральной части полуострова Ямал. Поверхность характеризуется весьма незначительными локальными уклонами, в связи с чем на большей площади слабо дренирована, заболочена. Инженерно-геологический разрез сложен преимущественно глинами, суглинками, супесями, а также песками пылеватыми и мелкими (Рис. 2). В геокриологическом отношении территория характеризуется распространением многолетнемерзлых пород преимущественно сливающегося типа. Значения среднегодовой температуры грунтов в зависимости от ландшафтных условий изменяются в интервале минус 2,5… минус 5,5°С, глубина сезонного оттаивания составляет 0,6-1,2 м. Одной из особенностей региона является наличие в верхней части инженерно-геокриологического разреза многолетнемерзлых пород с высокими значениями льдистости (Ii>0,4) вплоть до ледогрунтов и залежей пластовых льдов. Льды встречаются в широком диапазоне глубин, иногда залегая непосредственно под подошвой слоя сезонного оттаивания. Инженерно-геологическими скважинами встречены льды мощностью от 0,5 м до 3-5 м. Другой особенностью, имеющей большое геотехническое значение, является наличие засоленности грунтов, а также линз криопэгов. Засоление морского типа с содержанием солей до 1,5%, что приводит к значительному повышению температуры начала замерзания грунтов.
Характеристика климатических условий центральной части Ямала может быть произведена по данным наблюдений, выполненных на трех метеостанциях – Харасавэй, Марресале и Сеяха. Ближайшей метеостанцией для территории строительства является м/с Марресале. Кроме того, следует учитывать, что наблюдения на метеостанции Харасавэй с 2004 г не производятся.
Климат рассматриваемой территории избыточно-влажный, с холодным летом и умеренно суровой малоснежной зимой. Так, по многолетним данным м/с Марресале максимальная высота снежных отложений и плотность снега в естественных тундровых условиях характерна для апреля и составляет соответственно 0,29 м и 340 кг/м3. Одним из главных факторов, формирующих условия теплообмена на поверхности грунтового массива и, соответственно, температурный режим многолетнемерзлых пород, является температура воздуха. Среднегодовая температура воздуха по многолетним данным наблюдений м/с Харасавэй (за период 1953-2004 гг) составляет минус 9,5°С, по данным м/с Сеяха (за период 1951-2019 гг) составляет минус 9,4°С, а по данным м/с Марресале (за период 1914-2019 гг) – минус 7,7°С. По данным СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» среднегодовая температура воздуха для м/с Марресале составляет минус 8°С.
При проектировании фундаментов инженерных сооружений на грунтовых основаниях, представленных низкотемпературными многолетнемерзлыми глинистыми льдистыми грунтами, СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» регламентировано применение принципа I использования грунтов в качестве оснований – с сохранением их мерзлого состояния в течение всего периода эксплуатации сооружений. Расчет несущей способности грунтов при этом требует выполнения прогнозного моделирования температурного режима грунтов с учетом влияния природных и техногенных факторов в период строительства и эксплуатации. Одним из важных природных факторов, который следует учитывать при прогнозе температурного состояния грунтов, является температура воздуха. Проблема учета этого фактора заключается в том, что для выполнения прогнозного расчета на период эксплуатации сооружения (30-50 лет) необходимо для начала спрогнозировать значения среднемесячных и среднегодовых температур воздуха в течение расчетного периода. При этом, помимо естественной амплитуды колебания значений среднегодовых температур воздуха необходимо учитывать тренд глобального потепления климата.
Так, если в прогнозных теплотехнических расчетах учитывать климатические данные, которые приведены в нормативных документах (СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»), то следует исходить из значений среднегодовых температур воздуха, равных минус 8,0°С (для условий Центрального Ямала, м/с Марресале). Тренд глобального потепления климата для данного региона задается температурным градиентом, равным 0,04°С/год. При этом, проектировщики обычно начинают учитывать повышение среднегодовых температур воздуха с года, характеризующегося началом строительного периода. Исходя из этого, если выполнить моделирование динамики температурного режима грунтов на период строительства и первых лет эксплуатации объекта (1-й год: возведение в летний период (на слой сезонного оттаивания) общепланировочной насыпи; 3-й год: выполнение работ по устройству свайных фундаментов и передача на них проектной нагрузки), то расчеты показывают, что к моменту передачи нагрузки на фундаменты (3-й год строительных работ) проектная температура грунтов оснований (значения эквивалентных температур грунтов для свай глубиной заложения 8-11 м должны составлять минус 2,0…минус 2,5°С) и, соответственно, их необходимая несущая способность, обеспечиваются.
Однако, если принять в расчет естественный ход формирования значений среднегодовых температур воздуха в период с 1928 по 2019 гг (Рис. 3), то можно видеть, что на этом отрезке времени среднегодовые температуры воздуха колеблются в интервале значений от минус 3,7°С до минус 11,1°С. При этом, примерно с 1972 г прослеживается отчетливый тренд на повышение значений температур, интенсивность которого к 2019 г заметно возрастает. Таким образом, значение средней годовой температуры воздуха, формируемое за последнее десятилетие составляет уже минус 5,7°С (что на 2,3°С выше значения среднегодовой температуры воздуха, регламентированного в СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Прогнозное трехмерно теплотехническое моделирование, выполненное в программном комплексе «Борей 3D» (Рис. 4) на основе указанных климатических параметров, формирующихся к началу строительного периода показывает, что на 3-й год проведения строительных работ – к моменту передачи нагрузок на свайные фундаменты – прогнозируемые эквивалентные температуры грунтов будут выше на 0,6-0,7°С значений, предусмотренных в проекте для обеспечения необходимой несущей способности грунтов (Рис. 5). Следовательно, несущая способность грунтов обеспечена не будет. Для обеспечения восприятия сваями проектной нагрузки потребуется увеличение их длины или установка термостабилизаторов грунтов для понижения их температур.