Для чего замораживают дороги? Почему дома на Севере «повисли» над землёй? Как из бани получился колодец? То, что кажется чудесами человеку, далёкому от точных наук, эти люди объясняют с помощью законов физики.
О том, как можно использовать опыт Красноярского края, знания специалистов при возведении и эксплуатации самых разных объектов в условиях вечной мерзлоты, рассказали Вадим СЕРВАТИНСКИЙ, заведующий кафедрой автомобильных дорог и городских сооружений, и Рашит НАЗИРОВ, заведующий кафедрой проектирования зданий и экспертизы недвижимости Инженерно-строительного института СФУ.
В.С.: Дорога — это сложнейший комплекс инженерных сооружений, который предназначен для пропуска транспортных потоков с расчётными скоростями и нагрузками безопасно, комфортно и в установленные сроки. Эти условия обязательно нужно обеспечить. Первое ДТП в России произошло в 1901 году. Сейчас аварийность на дорогах вышла на уровень национальной трагедии. В среднем под колёсами погибают 35 тысяч человек в год. На этот показатель влияет и качество наших трасс.
В нашем крае дорог немного, если разделить их на всю площадь региона. Но суммарно и не мало. Это примерно 14 тысяч километров краевых дорог с твёрдым покрытием, чуть более двух тысяч километров федеральных, порядка 14 тысяч километров муниципальных. Ещё 10 тысяч километров сельскохозяйственных, 6 — 8 тысяч промышленных, около 14 тысяч временных — зимников, лесовозных.
Когда мы путешествуем по территории нашего края с юга на север, минуем несколько климатических зон: горнотаёжные леса, лесостепи и степи, тайгу, тундру. Везде свои грунтовые условия, которые необходимо учесть, чтобы дорога «работала». Нужно учитывать и то, что современные транспортные средства тяжёлые по весу, и их общее количество велико. При этом пассажиров и грузы нужно доставить в целости и сохранности, в пути им должно быть комфортно.
Правильность размещения дороги на поверхности начинается с технологии проектирования. Нужно правильно заложить её, обеспечить поверхностный сток. Потому что вода (фактор, который несёт теплоту) разрушает грунт.
На Севере добавляется ещё одно сложное условие — грунты, которые круглый год находятся при отрицательных температурах. Если они находятся в таких условиях до пяти лет, их называют многолетними мёрзлыми грунтами, свыше пяти лет — вечной мерзлотой.
— В чём сложность строительства дорог в таких условиях?
В.С.: Необходимо обеспечить стабильные температурный и механический режимы работы грунтового основания. Это не так просто.
Как известно, вода — нестабильная субстанция. В мёрзлом грунте она находится в твёрдом состоянии. Мы не должны допустить оттаивания этого льда, иначе произойдёт переувлажнение грунта. Он станет текучим, под собственным весом потеряет несущую способность. При этом сток воды в сторону невозможен, потому что кругом — мёрзлый грунт. Получится так: вода наберёт большое количество теплоты, поскольку является самой теплоёмкой субстанцией на Земле. Потом эту теплоту начнёт отдавать. Как следствие — произойдёт оттаивание основания дороги и прилегающей территории, разрушение грунта.
— Лёд начинает таять, потому что автомобили, двигаясь, нагревают дорогу?
В.С.: Нет. Потому что мы нарушили поверхностный слой. Когда строим дорогу, где-то делаем насыпь, где-то сравниваем горы и овраги — вмешиваемся в поверхность земли.
Приведу аналогию. Поцарапал руку, через день-другой ранка затянется. Если поместить руку в солёную воду, процесс произойдёт быстрее. Но если будут воздействовать неблагоприятные условия, ранка начнёт гнить, заживать дольше.
Дорога — как наш организм. Нарушили кожный покров земли, присоединились неблагоприятные условия, как результат — регенерационный процесс может затянуться. Некоторые геологические процессы тянутся десятками тысяч лет. Мерзлота тем и коварна: тундра залечится, но сменится не одно поколение, прежде чем всё вернется в исходное состояние.
Почему мерзлота на Севере — вечная? Потому что тепло не проникает глубоко внутрь. Грунт оттаивает только сверху, и снова приходит зима. Почему не протаивает глубже? Поверхностный слой этого грунта — мохоторфовый, а водоудерживающая способность мха — 800 процентов. То есть он удерживает в себе воды в восемь раз больше собственного веса.
Получается, что вода поглощает тепло, нагревается, но никуда не уходит. Мох удерживает её. А потом лето заканчивается. Но если слой мха нарушить, этого теплового затвора не будет. И грунт начнёт прогреваться быстро и глубоко. Поэтому при возведении дорог на Севере нужно учитывать множество моментов, начиная от проектирования и завершая материалами и технологиями строительства.
— Как сделать, чтобы дорога не нагревалась?
В.С.: Необходимо поднять верхнюю границу мерзлоты — сделать мёрзлой саму насыпь. Существует много способов искусственного сохранения дороги в мёрзлом состоянии. Ещё в 50-е годы прошлого века инженер ГАПЕЕВ предложил один из них. Он сделал сдвоенный цилиндр, внутри которого происходила циркуляция керосина. Тёплый керосин находился наверху, внизу он остывал. Когда температура грунта на поверхности становилась холоднее, тёплый керосин уходил вниз. Там снова остывал. Происходило постоянное перемешивание, холод накапливался внизу. Эти цилиндры помещали в дорогу для её охлаждения.
Р.Н.: Современные аналоги этой конструкции — термосифоны. Они и сейчас применяются при строительстве железнодорожных и автомобильных дорог.
— Какие материалы сегодня нужно использовать при строительстве дорог на Севере?
В.С.: Материалы должны быть одновременно гидро- и теплоизоляционными и очень прочными, хорошо нести нагрузку. Совместить эти качества непросто. Например, бетон хорошо несёт нагрузку, но при этом отлично передаёт тепло. В свою очередь, теплоизоляционный материал, как правило, пористый по структуре. Он предотвращает теплопотоки, но нагрузку не несёт.
Современные материалы — композиционные, объединяющие несколько составляющих, как правило, углепластиков. Получается некий сэндвич из пластических масс — прочный, лёгкий и теплоизоляционный.
— В нашем крае есть дороги из таких сэндвичей?
В.С.: Дорог, полностью выполненных из таких материалов, пока нет. Это дорого. Но Западная Сибирь практически вся покрыта ими. Плиты из такой массы объединяются в мобильное дорожное покрытие. Так строятся трассы по тундре. Тяжёлая техника идёт по ним, не нарушая поверхностного покрова.
Сейчас «Ванкор» планирует уходить на шельф, осваивать Арктику. Так что такие дороги появятся и у нас. Но и традиционные технологии не стоит сбрасывать со счётов. Например, каменные материалы хорошо показали себя в условиях вечной мерзлоты.
Пока у нас на Севере дороги фактически построены только в районе Норильского промышленного комплекса. Чтобы не произошло их протаивания, введены теплоизоляционные слои. Кстати, самый простой и дешёвый — обычные опилки. Их использовали для этих целей ещё в допетровские времена. В Архангельской губернии находят дороги, которые строили с применением опилок. Их укладывали и заливали водой, тогда древесина не гниёт, хорошо работает как теплоизолятор, при уплотнении несёт нагрузку. Сейчас вместо опилок используются современные нетканые синтетические материалы.
— А цена таких материалов высока?
В.С.: Да. Но в 2019 году вышла новая инструкция по проектированию дорог. В этом документе, наконец, стали рассматривать возможность использования местных строительных материалов. Как правило, они включают органические остатки — торфы, гумус.
— Стоимость строительства дороги на Севере включает не только расходы на материалы, но и на их доставку?
В.С.: Совершенно верно. Знаете, сколько стоит километр дороги? Когда проводили реконструкцию обхода Санкт-Петербурга, один километр обошёлся примерно в 280 миллионов рублей. И это были не условия тундры.
Р.Н.: Стоимость дороги включает не только расходы на проектирование и строительство, но и на её эксплуатацию. Любая ошибка, изменение климата — снова нужны вложения на ремонт. Не зря у дорожников есть понятие — «золотой километр». Кроме того, и к автомобильной, и к железной дороге предъявляются жёсткие требования. Поэтому их строительство и реконструкция такие дорогие.
В.С.: Как пример давайте возьмём дорогу Красноярск — Северо-Енисейск. Чтобы добраться до Стрелки, а это порядка 300 километров, сейчас нужно примерно три часа. Но следующие 300 километров пути занимают около десяти часов, и не каждый автомобиль там проедет. Одно из требований при строительстве дороги — обеспечить поперечный уклон, чтобы машина была устойчивой. А на этом участке пути то и дело встречаются перевернувшиеся автомобили. Где-то машина не может въехать в горку.
— Потому что дорогу неправильно спроектировали и построили?
В.С.: Нет. Потому что там сложные природные условия. Вообще дорожное мерзлотоведение ведёт историю с 1938 года, когда пришли на станцию Сковородино и начали строительство, не зная этой закономерности. Курьёзный случай описан в учебниках: там построили баню, а через некоторое время, проломив пол, в баню хлынул поток ледяной воды, выбило окна. И до весны ей пользовались как колодцем. Так произошло, потому что протаял слой мерзлоты, а межмерзлотная вода дала такой напор. Конечно, с тех пор строить научились. Шишки набивали, меняли материалы, технологии строительства.
— Сотрудники университета участвуют в разработке новых технологий?
В.С.: Пока нет, но очень хотим.
Мы участвуем в диагностике, обследовании, проектировании, экспертном обследовании дорог — когда они подвергаются неправильному воздействию. По поручению правительства Норильска планируем заниматься оценкой неравномерных просадок дорог. Ведь чтобы обеспечить скорость движения потока, дорога должна быть ровной. Сложнейшая задача — смоделировать ситуацию, чтобы понять, как идут теплопотоки, где находятся границы промерзания и оттаивания грунта, а затем рассчитать, какой толщины должно быть полотно, какой высоты насыпь, каким должен быть сток, чтобы мерзлота не уходила вниз, а по возможности даже поднималась вверх.
Р.Н.: Сегодня действует государственная программа, касающаяся социально-экономического развития северных регионов. Принята и краевая программа «Сохранение и развитие традиционного образа жизни и хозяйственной деятельности коренных малочисленных народов». Так что Север не заброшен, у него громадный потенциал.
У России большой опыт в плане строительства на Севере. Показательный пример: плавильные печи «Норникеля», которые фактически стоят на вечной мерзлоте, раскалены до 1500, 2000 градусов. а с грунтом ничего не происходит! Представляете, какие технологии были уже тогда! Есть практика строительства жилых зданий. Да, сейчас они начинают деформироваться, но ведь простояли столько лет.
Этот опыт нужно изучать, мало в каких странах найдутся подобные сооружения. Ведь в основном на северных территориях работают вахтовым методом. В Норильске же люди живут постоянно. Но, скорее всего, в перспективе не многие останутся там. Понятно, что родители не хотят, чтобы дети по полгода солнца не видели.
— А почему дома стали разрушаться?
Р.Н.: Во многом потому, что у жителей нет понимания, как правильно эксплуатировать эти дома с учётом климатических особенностей. Иными словами — влияет субъективный фактор.
Почему дома стоят на сваях, и между полом первого этажа и поверхностью земли есть промежуток? Дело в том, что коэффициент теплопроводности бетона гораздо больше, чем у воды и льда. Поэтому зимой бетонные сваи являются источниками холода, источниками приобретения устойчивости зданий. На поверхности минус сорок, и эти минус сорок подаются вниз.
Летом всё наоборот. Сваи передают тепло. Задача как раз в том, чтобы оградить грунт под домами от тепла. Например, это можно сделать так: с наступлением положительных температур огораживать пространство под домами щитами. Тогда меньше тепла поступает вниз, что способствует устойчивости зданий.
Но из-за того, что пол первого этажа всегда холодный, чтобы утеплить квартиры, жители стали закрывать это пространство щитами и зимой. Некоторые построили там гаражи, кладовки. В результате грунт под домами стал таять, и началась деформация зданий.
— Много ли сегодня вузов, которые готовят специалистов для работы в условиях Севера? Насколько популярно это направление?
Р.Н.: Около 30 вузов страны занимаются обучением специалистов для работы в северных и арктических территориях, это сотни учебных программ. И только шесть из этих учебных заведений находятся в условиях вечной мерзлоты!
У нас в СФУ не так давно создан Институт Севера и Арктики. Сейчас его деятельность направлена на реализацию гуманитарного проекта, который принят на краевом уровне и соответствует государственному.
В.С.: Надеемся, что гуманитарное направление — это только первый шаг. А второй сделают в нашу сторону. Потому что перспективы в сфере строительства на Севере колоссальны.
Р.Н.: Если говорить о технических вещах и посмотреть примеры других вузов, занимающихся этой темой, увидим, что они работают в рамках специализированных лабораторий. Там параллельно ведут и процесс обучения, и научную работу, и практическую. У нас пока такая деятельность разбросана по разным институтам. Но ведь можно объединиться в рамках такой специализированной лаборатории. И обучать студентов комплексно.
Кроме того, повторю, у нас накоплен большой опыт, который можно изучать и использовать на практике. Можно даже прогноз рассчитывать — что будет с грунтом на том или ином месте через определённое время. Ведь опасна не сама мерзлота, а цикличность — от минуса к плюсу, от плюса к минусу. Эти циклы и расшатывают грунт.
Сегодня рассчитать можно что угодно, но требуется хорошее оборудование, современные вычислительные комплексы. Необходимо проводить эксперименты, накапливать опыт. Мы считаем, что лучшим вариантом было бы создание специализированной лаборатории, но для этого нужно надлежащее финансирование.
Энергетики, нефтяники, строители — в нашем вузе готовят специалистов разных направлений для Севера. Но они разрозненны. Лаборатория объединила бы их. И наука делается в лабораториях, оснащённых качественным оборудованием для экспериментов. Если мы хотим идти на Север серьёзно, используя современные технологии, нам нужна такая структура.
В.С.: Допустим, дороги нужно не только уметь строить, но и содержать. Ущерб от их разрушения — не только стоимость самого участка пути. Показательный пример: негабаритный автомобиль задел ферму моста через Ману по дороге в Дивногорск, и мост сложился. Это было в 90-х. Сейчас можно проехать через Зеледеево, и то сделав крюк. А тогда — только через Ачинск. Перепробеги получились катастрофические. Общий ущерб — не только стоимость ремонта моста, но и простои в заторе, убытки от недоставленных вовремя грузов, пассажиров и так далее.
В последние годы активизировалась сейсмика, ею тоже нужно заниматься. А на мерзлоте такие сейсмотолчки — вовсе катастрофа.
Р.Н.: Приступая к строительству в условиях Севера, нужно предусмотреть многое.
Например, не так давно я готовил доказательства для одной организации, что расстояние между сваями достаточное, чтобы не было растепления грунта. Моделировал две ситуации: под сваями и на обычном участке грунта. Промежуток расчётов был на десять лет.
Получил интересную картину. Поскольку изменчивость температуры из года в год не повторяется, увидел, как формируется блуждающий слой мёрзлого грунта. Один-два года он формируется, потом протаивает. Это тоже нужно учитывать при строительстве.
Когда слой грунта покрыт мхом, теплофизические параметры грунтового основания насыпи одни. Если нарушим этот покров, всё превратится в овраг. И этот процесс будет прогрессировать не один десяток лет. Нарушили тундру — получили громадный овраг.
Уже доказано, что льдов на побережье Северного Ледовитого океана становится всё меньше. Значит, и под землёй происходит то же самое: зона нестабильности образования ледовых линз, которая способствует пучению грунта, передвигается. Это нужно учитывать, и не стоит всё-таки жить на Севере постоянно.
— То есть будущее на Севере за вахтовым методом работы?
Р.Н.: Скорее всего, да. Как пример — Канада. Расположена примерно в тех же широтах, но все живут на юге, а на севере работают вахтовым методом. Кстати, Красноярск — один из немногих городов мира, где миллион людей живёт в таких климатических условиях.
Если сравнивать стоимость возведения посёлков передвижного типа и капитальных домов, как в Норильске, — конечно, первый вариант гораздо дешевле.
В.С.: Ведь населённый пункт нужно обеспечить сетями: тепло-, водо- и энергоснабжением. Либо мы возводим небольшой закрытый комплекс с какой-то регенерацией, либо целый город с коммуникациями, социальными объектами.
— При проектировании новых дорог, зданий учитывается воздействие современных технологий и материалов на окружающую среду?
Р.Н.: В проектно-сметной документации есть экологический раздел. Он обязателен, без него проект не пройдёт экспертизу.
Безусловно, новые строительные материалы очень эффективны. Пример — пенополистирол, этот утеплитель активно используется сегодня в строительстве. Но он имеет четвёртый класс опасности, к нему относятся искусственно сделанные материалы, аналогов которых нет в природе.
Раньше для утепления использовали минеральную вату. Она сделана из стекла и относится к пятому — самому безопасному — классу. Как и кирпич, бетон, дерево. А пенопласт и пенополистирол не считаются такими безопасными.
Как потом утилизировать эти материалы? С одной стороны, мы строим тёплые дома. С другой — создаём проблему для будущих поколений.
В.С.: Конечно, во всём нужен баланс. Мы научились делать новые материалы, но пока не в полной мере понимаем их долгосрочное воздействие на природу. Как и в случае со строительством в условиях вечной мерзлоты, такие знания придут только со временем и с практикой.
Кстати, возведение домов и дорог в Норильске дало и отрицательный опыт. А отрицательное нужно уметь отрицать, чтобы не повторять ошибок в будущем.
Софья АНДРЕЕВА