Введение

Шпицбéрген, также Свáль­бард (норв. Svalbard), Грýмант (др.-рус.) — обширный полярный архипелаг, расположенный в Северном Ледовитом океане (рис. 1). Шпицберген находится под юрисдикцией Норвегии. Административный центр — город Лонгиербюен. Хозяйственную деятельность на архипелаге помимо Норвегии, согласно особому статусу архипелага, осуществляет также Россия (ФГУП «Государственный трест „Арктикуголь“»), имеющая на острове Западный Шпицберген российский населенный пункт — поселок Баренцбург. Кроме этого, компании принадлежат законсервированные поселки Пирамида и Грумант.

Проект «Мониторинг Аркти­ческой Инфраструктуры» (Мон­Арк; MonArc) был осуществлен при поддержке Научно-исследовательского совета Нор­вегии. Целью проекта было создание и содействие научно-исследовательского взаимодействия между норвежскими и российскими исследователями на Шпицбергене на основе совместного мониторинга зданий. Основное внимание уделялось исследованию вертикальных осадок фундаментов зданий и развитию осадок во времени под воздействием изменений климата и локальных техногенных воздействий (особенностей эксплуатации, функционирования дренажных систем и т.д.) [1].

Партнерами проекта выступали научно-исследовательский институт СИНТЕФ, Трондхейм; Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова (МГУ), Геологический факультет, Москва; Университетский Центр на Шпицбергене (ЮНИС), Департамент Арктических Тех­но­логий, Лон­гиербюен; ФГУП «Государственный трест „Арк­тик­уголь“», Москва; Мэрия г. Лонгиербюен; компания Сторе Норске (СНСК), Лонгиербюен.

Изменение климата считается одной из основных глобальных проблем человечества в 21 веке. Прогнозируемые изменения климата наиболее заметны в полярных регионах. Считается, что влияние прогнозируемого изменения климата на условия вечной мерзлоты в Арктике может привести к значительным повреждениям инфраструктуры [2].

Шпицберген хорошо подходит для этого исследования, потому что несколько типов зданий и систем фундаментов легко доступны в четырех географических точках, и в то же время климатические прогнозы предполагают значительное потепление климата к 2100 году [3-5]. С конца 1990 года наблюдается постоянное повышение температуры воздуха на архипелаге (рис. 2). Среднегодовая температура увеличилась практически на 4 °С. Все это привело к повышению температуры грунтов. За последние 20 лет температура скального грунта на глубине 15 метров увеличилась практически на 2 °С, а на глубине 40 метров — на 1 °С (рис. 3). Стоит отметить, что большинство инженерных сооружений находится в районе береговой зоны, где распространены засоленные грунты. Таким образом, весьма вероятно возникновение негативного влияния увеличения температуры вечной мерзлоты на устойчивость фундаментов.

Знания об осадках зданий, полученные в ходе длительных полевых измерений полезны для проектирования и научных исследований в области геотехники. Результаты мониторинга вертикального положения фундаментов в сочетании с данными температур грунтов, гидрометеорологических параметров и историей технического обслуживания здания могут помочь выявить основные факторы, вызывающие серьезные повреждения фундаментов или снижение эксплуатационной пригодности зданий.

Методика

Были изучены различные решения для фундаментов. Исследование охватывает новые и старые здания, опирающиеся на фундаменты мелкого заложения (фундаменты на плитах и ленточные фундаменты), а также на свайные фундаменты. По некоторым зданиям наблюдались значительные существующие осадки, по другим практически не было деформаций.

Исследования проводились методом геодезического нивелирования с использованием цифрового нивелира Leica Sprinter 250 M и кодовой рейки Leica GSS 111 [6]. Также проводилось визуальное обследование зданий. Нивелирование проводилось от реперов или объектов, принятых в качестве таковых. Около каждого здания использовалось 2-4 репера. Устойчивость реперов проверялась с помощью нивелирования реперов относительно друг друга [7-8].

Исследованные здания

Лонгиербюен

Были обследованы жилой дом — гестхаус университетского центра ЮНИС (улица 229.05) и гостиница «Elvesletta Byggetrinn 1» (пересечение дорог 500 и 503). Здание гестхауса представляет собой двухэтажное деревянное здание, стоящее на деревянных сваях, погруженных грунта на глубину 9 метров. Сваи погружались в заранее пробуренные скважины большего диаметра, пространство между сваей и грунтом (5-10 см) засыпалось песчано-цементной смесью. Подземное пространство защищено декоративными планками, которые пропускают воздух под зданием. Здание в плане примерно 15 на 70 метров. Здание построено в 2009-2011 годах. Здание «Elvesletta Byggetrinn 1» представляет собой трехэтажное деревянное здание, стоящее на стальных сваях квадратного сечения 140 на 140 мм, погруженных на глубину 18 метров. Пространство между сваей и грунтом также заполнялось бетонным раствором. Подземное пространство защищено декоративными планками, допускающими вентиляцию подполья. Здание размером примерно 16 на 30 метров, строительство которого завершено в 2019 году.

Баренцбург

Для обследования было выбрано трехэтажное здание «Комплекс ГРЗ», построенное в 1975-1978 годах. Размер дома 50 на 15 метров. Здание построено из бетонных балок и колонн с внешними кирпичными стенами и опирается на бетонные сваи. Предполагаемая длина свай — 10 метров. В настоящее время здание практически не эксплуатируется и на нем имеются трещины.

Пирамида

Обследован универсальный гараж 1981-1983 гг. постройки. Здание имеет кирпичные стены и опирается на бетонные сваи. Предполагаемая длина свай — 10 метров. Пространство под зданием позволяет свободному потоку воздуха в подполье. На западной стене здания наблюдались трещины, вероятно, вызванные аварийной протечкой 10 лет назад.

Свея

В шахтерском поселке Свея обследованы двухэтажное жилое здание и многоцелевой гараж. Двухэтажное жилое здание построено в 2010 году из сборных деревянных модулей, опирающихся на балочный каркас на деревянных сваях. Стандартное вентилируемое пространство позволяет воздуху проходить под зданием. Небольшие деформации видны с юго-восточной и восточной сторон, вероятно, вызвана перемещениями фундамента. Многоцелевой гараж для тяжелых транспортных средств и хранения материалов представляет собой легкую конструкцию со стальным каркасом и многослойными стальными фасадными стенами с бетонным фундаментом мелкого заложения, где расположены вентиляционные каналы для охлаждения грунтов. Пол здания опирается непосредственно на землю. Концы воздуховодов закрываются/открываются вручную летом/зимой.

• 

• 

• 

• 

Рис 4. Исследованные здания: а) трехэтажное здание «Комплекс ГРЗ» (пос. Баренцбург); б) гестхаус университетского центра ЮНИС (Лонгиербюен); в) двухэтажный жилой дом (пос. Свея); г) здание многофункционального гаража (пос. Пирамида)

Результаты

Осадки различных зданий варьировались в сезонах измерений 2017-2018 и 2018-2019 (табл. 1). Наибольшая осадка была зафиксирована в гараже в поселке Свея, так как фундамент мелкого заложения и непосредственно опирается на землю, что в значительной степени влияет на его деформацию. У одной части гестхауса университетского центра ЮНИС наблюдались повышенные осадки вследствие расположения большого количества воды, стекающей с дороги, что могло привести к изменению температурного режима.

Таблица 1. Осадки обследованных зданий на архипелаге Шпицберген.

Населенный пункт	Здание	Осадки за 2017-2018 гг., мм	Осадки за 2018-2019 гг., мм
г. Лонгиербюен	Гестхаус университетского центра ЮНИС	—	0-10
	Здание «Elvesletta Byggetrinn 1»	—	0-4
пос. Баренцбург	Комплекс ГРЗ	—	0-2
пос. Пирамида	Гараж	1-5	1-5
пос. Свея	Двухэтажно жилое здание	1-5	1-5
	Гараж	2-12	2-10

Точная характеристика проектных осадок исследованных зданий затруднительна по причине отсутствия данных о предыдущем мониторинге и проектной документации, устанавливающей их допустимые осадки и их развитие во времени, а также отсутствия данных о геокриологических условиях в районе расположения исследованных зданий. Исходя из практики проектирования, допустимые деформации зданий (включая вертикальные смещения) назначаются исходя из конструктивных особенностей здания и устанавливаются часто в диапазоне 10-20 см [9]. В общем, можно сказать, что при проектировании зданий в условиях вечной мерзлоты, осадки зданий могут иметь относительно высокие значения в начальной фазе эксплуатации, с постепенным затуханием при дальнейшей эксплуатации. Но различные техногенные факторы могут приводить к увеличению деформации, поэтому необходимо проводить геотехнический и температурный мониторинг в его основании для своевременного принятия мер инженерной защиты. Срок эксплуатации зданий в условиях вечномерзлых грунтов обычно назначается в диапазоне 30-50 лет.

Определенные скорости осадок исследованных зданий представляются значительны­ми, и, как следствие, мониторинг зданий рекомендуется продолжить. Улучшение водоотведения может быть предложено как одна из мер, которая может поспособствовать поддержанию проектного температурного режима вечной мерзлоты под исследованными зданиями. При увеличении осадок зданий методы искусственного охлаждения грунтов могут быть порекомендованы для их стабилизации.

Анатолий Синицын
SINTEF Community, Group of Rock- and Soil Mechanics

Павел Котов
Кафедра геокриологии Геологического факультета
МГУ им. М. В. Ломоносова

Список литературы

1. Monitoring of Arctic Infrastructure (MonArc). Home page. 2017. Available from: http://www.sintef.no/prosjekter/monarc/.
2. Hjort, J., Karjalainen, O., Aalto, J. et al. Degrading permafrost puts Arctic infrastructure at risk by mid-century. Nat Commun 9, 5147 (2018)
3. Instanes, A., 2003. Climate change and possible impact on Arctic infrastructure. Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost. Zurich, Switzerland, July 21-26:461-466
4. Anisimov, O. A. and Vaughan D. G., 2007. Polar Regions, in Climate Change Climate change impacts, adaptation, and vulnerability. Contribution Working group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change: 654-685 .
5. Hanssen-Bauer, I., E. J. Førland, H. Hisdal, S. Mayer, A. B. Sandø and A. Sorteberg (eds.), 2019. Climate in Svalbard 2100 — a knowledge base for climate adaptation. NCCS report 1/2019
6. ГОСТ 24846-2012 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений
7. Sinitsyn, A., et al. The MonArc project: long-term monitoring programme for buildings in Svalbard. In Svalbard Science Conference 2019. 2019. Oslo, November 5-6.
8. Sinitsyn, A. O., et al., The MonArc Project: Monitoring Programme for Foundation Settlements and Initial Results. Lecture Notes in Civil Engineering, 2020. 49 (Transportation Soil Engineering in Cold Regions, Volume 1): p. 115-123.
9. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.