Авторы: М.Я.Бикбау,   Д.В.Высоцкий

Недавно в Якутске   произошло очередное аварийное обрушение   здания. Экспертиза показала , что причиной его обрушения явилось таяние вечной мерзлоты под его фундаментом.

На Севере и в Сибири  уже  давно наблюдается разрушение зданий, стоящих на вечной мерзлоте. 

Согласно исследованиям климатологов, к концу XXI века площадь поверхностной вечной мерзлоты в мире   сократится более чем на 20%.  Несомненно, климатические изменения являются вопросом безопасности и представляют собой определенные риски.  Но мы можем уменьшить их воздействие, а в отдельных случаях – даже предотвратить.  И  первостепенное значение здесь имеет правильный выбор строительной системы  при возведении зданий в зоне вечной мерзлоты.

Специалисты Московского Института Материаловедения и Эффективных Технологий (ОАО «Московский ИМЭТ») еще несколько лет назад разработали уникальную конструктивную систему, не имеющую равных по многим  параметрам.   И сегодня, для строительства в условиях Крайнего Севера,  применение архитектурно-строительной системы «ИМЭТ»,  по мнению многих,   является наиболее оптимальным решением

        Хозяйственное значение области вечной мерзлоты, или криолитозоны, как ее называют мерзлотоведы, трудно переоценить,тем более она занимает 65 % территории современной России.. Это - стратегический тыл экономики России, ее топливно-энергетическая база и валютный цех.        В пределах криолитозоны России сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты. В настоящее время хорошо разработаны методы прогнозирования последствий строительства зданий и сооружений на вечной мерзлоте. Однако не только деятельность человека меняет мерзлотные условия. В гораздо больших масштабах оказывают влияние на мерзлые толщи труднопредсказуемые изменения климата.

Прогнозируемое в ближайшие десятилетия  потепление и оттаивание льдонасыщенных пород будет сопровождаться просадками земной поверхности и развитием опасных мерзлотных (криогенных) геологических процессов: термокарста, термоэрозии, солифлюкции и др. Целые регионы с низкими абсолютными отметками поверхности окажутся затопленными морем. Возникнет угроза разрушения зданий и инженерных сооружений, возведенных с сохранением мерзлого основания. Такие последствия потепления климата станут разорительными для экономики Крайнего Севера России.

          Технологическая отсталость России, строительный комплекс которой живет и  трудиться  во вчеращнем дне в  плане  применения современных технологий, оборудования и  конструкций   особенно остро ощущается при строительстве  в сложных климатических условиях  и , в частности, в  районах Крайнего Севера  и в других регионах на многомерзлых грунтах  ( которыми покрыто 65 % территории страны)  . Если сегодня в Москве и других крупных городах , на юге России строят  долго, плохо и дорого, то что  говорить о строительстве  в Якутии ,Северном Урале, Сибири, Чукотке и других  районах.

           Достаточно назвать две основных  технологии  сегодняшнего  строительства   -  монолит  и традиционный сборный железобетон,  устаревших  и затратных. Строить здания с несущими стенами ,тем более в условиях Крайнего Севера – анахронизм . ОАО «Московский ИМЭТ»  создал новую архитектурно-строительную  систему  (1-3) , вобравшую лучшие достижения мировой строительной науки и позволяющую  строить   многоэтажные и высотные  здания и сооружения в любых условиях  с  удовлетворением   нижеперечисленных достоинств :

1. Максимально ускоренные сроки строительства
2. Минимальная материало-, трудо- и энергоемкость.
3. Повышенная конструктивная безопасностьс,устойчивость  зданий и сооружений с фундаментами на многолетних мерзлых грунтах.
4. Обеспечение  экологии , пожаробезопасности , долговечности зданий и сооружений.
5. Повышенная комфортность и применение современных архитектурных решений.
6. Энергосбережение при эксплуатации зданий и сооружений.
7. Минимизация стоимости строительства

В связи с  особенностями мерзлых грунтов  в регионах Сибири,

Крайнего севера , построенные города имеют весьма низкую этажность , что в таком климате в разы  повышает энергозатраты на отопление таких зданий  , так как чем ниже этажность – тем  больше удельная  (  отношение  общей поверхности  здания к его эксплуатационной площади)  поверхность теплообмена зданий с окружающей средой.

          В соответствии с изложенным весьма важной  особенностью предлагаемой архитектуро-строительной системы ИМЭТ  является возможность строительства  на Крайнем  Севере энергосберегающих многоэтажных ( 9- 12 , 17-22 домов), способных радикально  изменить архитектурный  облик и комфортность городов . 

          В зависимости от местных мерзлотно-грунтовых условий, а также конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий и сооружений их строительство ведут либо с сохранением природного мерзлого состояния грунтов (I метод), либо допускают их оттаивание (II метод). При этом указанное оттаивание может происходить в одном случае постепенно, в процессе эксплуатации возведенных зданий и сооружений, если по качеству грунтов основания оно допустимо и не может вызвать появления больших и неравномерных осадок. В другом случае оттаивание производят до начала строительства, когда грунты сильно сжимаемы и после оттаивания требуется выполнять соответствующие работы по улучшению их качества.

Так, типичное  здание детского сада в г. Чите было построено по принципу сохранения линзы вечномерзлого грунта. После нескольких лет благополучной эксплуатации этого здания, решили пристроить к зданию столовую. Пристройку выполнили без учета линзы вечномерзлого грунта. В результате, через год эксплуатации такого сооружения, возникла аварийная ситуация, которая видна на представленных фото (рис 1).

Рис 1 .Фото развития аварийной ситуации для здания детского сада (г. Чита), возникшей в результате оттаивания линзы многолетней мерзлоты. Типичный дом с несущими стенами.

Отсутствие  учета наличия вечномерзлых грунтов,  приводит к возникновению и развитию значительных (недопустимых) осадок сооружений и появлению трещин в надземных конструкциях.  Компенсировать  неравномерные осадки оттаивающих оснований можно повышенной жесткостью надземных конструкций. В этом случае, как показано на  фотографии ( рис 2), по периметру здания в уровне перекрытий устраивают металлические пояса жесткости, воспринимающие неравномерные деформации конструкций стен.

Рис 2. Фото здания, приспособленного к неравномерным деформациям способом устройства металлических поясов жёсткости в уровне каждого перекрытия. Причина подобных усилений - развитие неравномерных осадок, вследствие оттаивания линзы многолетней мерзлоты.

При применении архитектурно-строительной системы «ИМЭТ» - трубобетонный каркас здания на каждом уровне перекрытия имеет свой конструктивный пояс жесткости.И самое главное – нет несущих стен! 

Только современные каркасные  системы  должны применяться  при строительстве  в регионах Крайнего Севера . в условиях многомерзлых грунтов.

Предлагаемая нами новая архитектурно-строительная система «ИМЭТ» является развитием каркасных систем и включает возведение каркасов из трубобетона вместо широко применяемых железобетонных колонн, свайных трубобетонных опор с фундаментными железобетонными плитами, теплоизолированных от вечной мерзлоты в сочетании с  длинномерными ригелями ,перекрытиями из преднапряженного бетона с натяжением на бетон в условиях строительной площадки и применения новых монолитных однослойных легких ограждающих конструкций из капсулированного керамзитового гравия (технология «КАПСИМЭТ») с оригинальной системой обеспечения пожарной безопасности многоэтажных и высотных зданий. Новая система может служить технологической основой массового строительства домов любой этажности, отвечая условиям:

энергосбережения;

минимальной материалоемкости;

индустриальности

экологической чистоты;

надежности;

долговечности;

безопасности;

минимальной стоимости коробок зданий и сооружений.

Выполнение  оснований домов и сооружений в условиях многомерзлых грунтов по архитектурно-строительной системе ИМЭТ .

Трубобетонные сваи  по АСС ИМЭТ применяются для устройства фундаментов и шпунтовых ограждений. Они представляют собой стаьную трубу, забитую в землю и заполненную бетонной смесью.        Забивка трубобетонных свай производится пневмомолотом. Это позволяет производить погружение трубобетонных свай в стесненных труднодоступных условиях, где невозможно использовать крупногабаритную строительную технику. Установка для забивки трубобетонных свай очень компактна и легко транспортируется до строительного объекта в кузове небольшого грузовика типа Газели.

         Использование бывших в употреблении, некондиционных стальных труб позволяет снизить стоимость сваи. Применение грузоподъёмных механизмов позволит выполнить забивку длинномерных  сваи  за один приём без стыковки труб.

       При строительстве в условиях вечной мерзлоты надо отводить воду , выбирать пучинистые и просадочные грунты, а после устройства  фундамента  выполнять  обратную  засыпку котлована песком и щебнем.    Все эти работы требуют значительных материальных и трудовых затрат .Решение всех этих трудностей – забивные трубобетонные сваи, погружаемые с помощью пневмоударной машины. Фундаменты на трубобетонных сваях  незаменимы при строительстве на участках со сложным ландшафтом.     

      Трубобетонная свая представляет собой стальную трубу Д=219-325мм, заполненную бетонной смесью. Для устройства фундамента, трубы с конусным наконечником погружаются в грунт компактной и мобильной пневмоударной установкой на глубину до 8м в соответствии с разработанным планом свайного поля фундамента. Далее сваи подрезают в уровень, определяемый проектом, и стволы свай бетонируются до уровня их подрезки. Надземная часть сваи покрывается антикоррозионным составом. В некоторых случаях, для удешевления, возможно извлечение из грунта обсадной трубы сразу после бетонирования полости.

      Трубобетонные забивные сваи обладают высокой несущей способностью как на сжимающие, так и на выдергивающие нагрузки и противостоят силам морозного пучения. Их рабочие характеристики аналогичны забивным железобетонным сваям, погружаемым тяжелыми копровыми установками      Предлагаемая технология возведения свайных фундаментов позволяет:

1. сэкономить немалые средства, почти полностью отказавшись от земляных работ. Фундамент на трубобетонных сваях может быть возведен даже на не выровненном  участке или на ухоженном газоне и не требует применения тяжелой строительной техники.
2. возводить дома на склонах, в непосредственной близости от больших деревьев и существующих строений, на торфяных и обводненных грунтах. Сваи могут забиваться даже в воду. К уже построенным на сваях домам легко пристраивать новые сооружения, не нужно думать заранее об инженерных коммуникациях под домом.
3. существенно сократить сроки устройства фундамента, в случае с деревянными и каркасными домами - до нескольких дней.
4. работы можно вести круглый год.

При применении архитектурно-строительной системы «ИМЭТ» нет необходимости производить работы по созданию сплошного свайного поля! Исходя из характеристик грунта и нагрузок на каркас – достаточно под одну несущую колонну подготовить опору, состоящую из 3-4 трубобетонных свай соединенных ростверком. Это  значительно  экономит средства на устройство фундаментов.

Для снижения теплового потока от дома, нижнее его перекрытие необходимо тщательно утеплить. ОАО «Московский ИМЭТ» впервые в мире разра­ботана новая технология  крупнопористого бетона и получения материала на его основе - технология «КАПСИМЭТ», суть которой заключается в капсуляции крупных заполнителей вяжущим веществом в специальных машинах – капсуляторах  .

       «КАПСИМЭТа» соответствуют конструкционно-теплоизоляционному материалу, что позволяет возводить из него   плиты, блоки , самонесущие стены и жесткие утепляющие слои кровель, а также изолировать многомерзлые грунты в жилищном и дорожном строительстве.

В передовых странах, в частности, в США в качестве ограждающих конструкций многоэтажных и  высотных зданий применяются исключительно крупногабаритные (30 - 35 м2) навесные и несущие панели из высокопрочных бетонов, твердеющие без тепловой обработки в нормальных условиях (рис. 3).

Выразительность таких панелей обеспечивается отделкой лицевого слоя или под природный камень, или под кирпич, или керамическими крупноразмерными плитами, омоноличенного бетоном наружного слоя панели.

Рис. 3. Производство крупногабаритных железобетонных панелей "GreatWall" (г.Филадельфия, США).

Рис. 4. Трехслойная теплоизоляционная навесная панель "ИМЭТ"

         ОАО "Московский ИМЭТ"  разработаны новые  знергосберегающие трехслойные панели, не нуждающиеся в пропарке (рис. 9), отличающиеся небольшой массой для навесных панелей в пределах 380 - 420 кг/м2 и для несущих 400 - 500 кг/м2, и содержащих, в качестве утеплителя, монолитный слой из нового материала "Капсимэт", полученного укладкой в средний слой панелей толщиной 220 - 240 мм зерен пенополистирола, капсулированных тонким (0,1 - 0,3 мм) слоем цементного молочка  . В этом состоянии пенополистирол становится не горючим и долговечным. Внутренний слой панелей  "ИМЭТ"  выполнен из легкого конструкционного бетона (М300, объемной массой 1400 кг/м3), а наружный слой из литого искусственного бетонного камня на основе механоактивированного цемента марки М600 толщиной 60 - 80 мм Сопротивление панелей теплопередаче в пределах 3,5 - 4,0 Вт/(м*°С)/м2 при толщине 400 мм.

        Применение литого искусственного бетонного камня (ЛИК) в наружном слое панелей позволяет получать высокую архитектурную выразительность изделий с различным рельефным рисунком и окраской  за счет формовки лицевого слоя панели на полимерных или резиновых матрицах "лицом вниз" на специально разработанном стенде, позволяющем получать крупногабаритные панели "ИМЭТ" при нормальных температурах в условиях строительной площадки.

При использовании в ограждающей наружной стене многоэтажных зданий  теплоизоляционного бетона «КАПСИМЭТ» в сочетании с новой конструктивной схемой зданий, разработанной  ОАО «Московский ИМЭТ», на первом этапе возводится    фундамент и  металлический каркас с жесткими железобетонными дисками перекрытий, воспринимающими все виды нагрузок. Несущие конструкции здания выполняются из трубобетона  и горизонтальных дисков перекрытия из сборных пустотных плит ,опирающихся на длинномерные ригели или  монолитного железобетона, а наружные стены выполняются однослойными из легкого теплоизоляционного бетона «КАПСИМЭТ», изготовленного из капсулированного цементным молоком и омоноличенного в межпалубном пространстве керамзитового гравия. При возведении подобных наружных стен многоэтажных зданий строителей, прежде всего, привлекает желательная максимальная индустриальность возведения ограждающих конструкций, определяющая, во многом, стоимость и темп работ по строительству зданий.

Практическую реализацию комплекса новых технологий архитектурно-строительной системы ИМЭТ  целесообразно осуществить в виде Градостроительного комбината нового типа , мощностью  от 300 до 500 тыс.кв.м  жилья и 100-200 км. современных долговечных  дорог  в год с организацией производства на нем необходимых объемов:

                       -  трубобетонных колонн ;

                       -  длинномерных ригелей ;

                       -  плит перекрытий ;

                       -  панелей ограждающих конструкций ;

                       - дорожных плит для строительства по системе ИМЭТСТРОЙ ;

                       -  комплектующих   изделий, доборов ;

                       -  сухих строительных смесей для полов  и отделочных работ

                 ОАО « Московский ИМЭТ»  и его организации могут выполнить необходимые технологические и проектные работы по созданию производств такого комбината на основе модернизации профильных предприятий (ЖБИ,ДСК)  в районе Крайнего Севера ,лучше в городах, имеющих значительные отходы шлаков или зол  для их одновременной переработки (Норильск,Якутск,Воркута,Магадан и др. ) и  передаче новых  строительных  технологий региональным предприятиям .