Исторический опыт геологического исследования и строительства фундаментов на примере города Норильск.

Введение

Норильск обладает огромными запасами ресурсов таких как никель, медь, уголь, кобальт, золота, серебра, платины, палладия и др. В следствие этого в начале XX века велось освоение данной территории. Для запуска предприятий по добыче ресурсов необходимо для начала произвести геологическое исследование местности, запроектировать и построить необходимую инфраструктуру. Норильск относится к зоне Крайнего Севера, характеризуемой осложнением проектирования и эксплуатации сооружений из-за распространения многолетней мерзлоты.

Цели и задачи исследования

Цель исследования — анализ опыта геологического исследования и строительства фундаментов в условиях многолетнемерзлых грунтов на примере города Норильск.

Задачи включают:

- выявление этапов в опыте геологических исследований;

- выявление основных проблем этого опыта.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выступает город Норильск, в особенности предприятия по добыче ресурсов. Предметом исследования методы исследования и строительства фундаментов на территории города Норильск.

Полученные результаты

В настоящее время Норильск является городом с различными развитыми отраслями промышленности. В данной статье анализируется опыт геологического исследования и строительства на примере этого города, а также рассматриваются их проблемы. В 1935 году было принято решение о строительстве Норильского металлургического комбината и основан поселок Норильск. Во время геологического исследования и строительства возникало немало проблем, к ним можно отнести:

- распространение многолетнемерзлых грунтов, а в последствии растепление грунтов, выступающих в качестве основания зданий и сооружений;

- небольшое количество и разрозненное расположение скальных грунтов, пригодных для использования в качестве основания;

- ограниченные возможности технологий;

- долгие сроки и огромные затраты при использовании в качестве основания скальные грунты.

Вышеперечисленные проблемы в большей части возникали из-за отсутствия опыта устройства фундаментов на многолетней мерзлоте. Для решения проблемы мерзлоты был образован Норильский комплексный отдел Красноярского института «Промстройниипроект» в 1959 году. Решение проблемы было найдено на тот момент назначенным на должность руководителя Михаилом Васильевичем Кимом. Метод свайного фундирования в мерзлоте заключался в вмораживании сваи в мерзлый грунт. Таким образом этот метод позволил не только решить проблему с устройством фундаментов на многолетней мерзлоте, но и использовать её в целях строительства.

В наше время в городе Норильске развиты различные отрасли промышленности, к ним можно отнести добычу нефти, полезных ископаемых, угля и др. Однако добыча угля и меди велась на этих территориях ещё в XIX веке. Упоминания о наличии угольных месторождений можно встретить в отчетах А. Ф. Миддендорфа в 1842-1845 годах. Первым предпринимателем на данных территориях считается купец Киприян Михайлович Сотников, начавший свою деятельность в 60-е годы XIX века. ^[7]

Впервые геологическое обследование региона было произведено в начале XX века под руководством Николая Николаевича Урванцева, в 1920 году им было открыто медно-никелевое месторождение. ^[12] Построенный в тот год дом для перезимовки экспедиторов и по сей день относится к объектам культурного наследия. В 1935 году было принято решение о строительстве Норильского металлургического комбината и основан поселок Норильск. ^[13] В этом же году происходит создание мерзлотной станции, в которой производилось наблюдение за опытными деревянными сваями, засыпанными талым грунтом. Также в 1936 году в Норильск была направлена группа специалистов для изучения мерзлотных процессов грунтов. Проделанная ими работа послужила основанием для организации специального подразделения строящегося Норильского комбината. ^[2]

Исследуемая местность расположена в районе сплошного распространения многолетней мерзлоты, отмечены проявления морозобойного растрескивания, пучения и солифлюкции. ^[11] Уже в 1936 году пришлось столкнуться с главной проблемой строительства на данной территории, а именно с растеплением многолетнемерзлых грунтов.

Растепление грунта — это процесс, обусловленный передачей породе количества тепла достаточного не только для её нагрева до 0 °С, но и для перехода содержащегося в породе льда-цемента в жидкое состояние. ^[5]

Растепление грунта приводит к образованию чаши оттаивания под зданием, грунт теряет свою монолитность, что приводит к неравномерной осадке здания, она в свою очередь приводит к деформациям ограждающих конструкций и фундаментов. Схема процесса показана на рисунке 1. ^[5]

Рисунок 1 — Образование чаши оттаивания под зданием

Деревянный цех электролиза никеля считается первым зданием, разрушенным из-за растаявшего основания. Годом позже эта участь настигла и жилые бараки. Для решения проблемы было принято решения полностью удалять многолетнемерзлый грунт до скального основания. Это вело к долгим срокам строительства и огромным затратам. Большую часть ресурсов приходилось тратить на устройство фундаментов. ^[3] Разработка грунта велась вручную, в основном заключенными Норильлага, существовавшего с 1935 по 1956 гг. ^[4],[13]

Важным вопросом в то время так же являлся вопрос расположения временных сооружений. Важно было, чтобы данные сооружения не тормозили строительство постоянных, а также не подлежали сносу. Так как то время было эпохой до свайного фундирования и использования льда как основания, для строительства комбината была выбрана площадка к востоку от ручья Медвежьего. В качестве основания на данной территории выступали галечниковые грунты. Исследования площадки в то время производились за счет заданных вручную рядов шурфов глубиной 10 м. ^[3]

Таким образом можно выявить вторую проблему, замедлявшую в то время процесс исследования грунтов и строительство комбината. Скальные грунты искомые для основания сооружений имели разрозненный характер на данной территории, из-за этого можно наблюдать разброс основных предприятий по территории Норильска (это можно увидеть на рисунке 2). Хоть первым опытом строительства на сваях и считается первый в городе кирпичный завод, построенный в 1937 году, («пароигловые» деревянные сваи заглублялись в насыщенный льдом грунт на три метра) ^[2], метод свайного фундирования попытки внедрения которого не принимались вплоть до 1958 года, на тот момент экономика, основанная на труде заключенных, не способствовала внедрению инноваций. ^[3]

Рисунок 2 — Размещение промышленных предприятий

Во время изысканий была выявлена ещё одна проблема, из-за ограниченных на то время технологий все данные передавались по телеграфу в Ленинград, затем по ним составлялась карта грунтов, а уже после компоновался генплан будущего комбината. Из-за фактора заочного руководства можно сделать вывод, что дистанционная схема работы была неэффективна. Требовалась постоянная проектная структура на месте строительства. Это привело к увеличению штата в 1937 году, а в 1938 году подписан приказ о создании проектного бюро; в последующем – проектная контора и проектный отдел Норильского комбината НКВД СССР. ^[8]

Было ясно, что строить город по принципу замены мерзлого грунта невозможно и необходимо другое решение проблемы многолетней мерзлоты. Для решения этой проблемы в 1959 году образовывается Норильский комплексный отдел Красноярского института «Промстройниипроект». На роль руководителя был назначен Михаил Васильевич Ким, некогда заключенный Норильлага. ^[8],[10] Ким усовершенствовал метод, используемый при строительстве первого кирпичного завода, так как при наблюдении за осадкой его фундаментов не было выявлено деформаций, осадки свай и пучения. В дальнейшем в Норильске при строительстве фундаментов использовался метод свайного фундирования. Было принято упирать свайные фундаменты в скальный грунт, как бы глубоко он не залегал, или рассчитывать на силу трения для удержания конструкции. Усовершенствованный Кимом метод же заключался в вмораживании сваи в ледяную основу, заливая шламом. Данный метод по надежности не уступал методу с опиранием свай на скальный грунт. Таким образом этот метод позволил не только решить проблему с устройством фундаментов на многолетней мерзлоте, но и использовать её в целях строительства. ^[2]

Рисунок 3 — Михаил Васильевич Ким

Из-за того, что промышленные объекты изначально строились с использованием в качестве основания скального грунта, либо с использованием фундаментов с заглублением в десятки метров, метод свайного фундирования в мерзлоте использовался в основном уже при проектировании жилых домов города Норильска. Использование эффективных методов строительства на вечномерзлых грунтах являлось актуальнейшей задачей в условиях реализации масштабного плана возведения жилых районов и крупных архитектурных ансамблей города. ^[9] В настоящее время в Норильске можно встретить здания и сооружения как с использованием скального грунта в качестве основания, так и с использованием метода свайного фундирования в мерзлоте.

Рисунок 4 — Генеральный план Норильска, 1940–1943 гг.

Выводы

По результатам исследования выявлены следующие этапы в опыте геологических исследований в условиях многолетней мерзлоты:

- 1920-1935 гг ­— период первых геологических исследований;

- 1935-1958 гг — столкновение с проблемой многолетней мерзлоты, поиск местности для строительства с распространением скальных грунтов (залегания имели разрозненный характер), используемых в качестве основания, создание мерзлотной станции и групп специалистов для изучения мерзлотных процессов;

- 1959 г — образование Норильского комплексного отдела Красноярского института «Промстройниипроект» во главе с Михаилом Васильевичем Кимом, усовершенствование и внедрение метода свайного фундирования.

При этом, опыт геологических исследований в Норильске дает основание выявить 4 основные проблемы:

1. сплошное распространение многолетнемерзлых грунтов, а в последствии их растепление, при использовании в качестве основания;

2. небольшое количество и разрозненное расположение скальных грунтов, пригодных для использования в качестве основания;

3. долгие сроки и огромные затраты при использовании в качестве основания скальные грунты;

ограниченные возможности технологий, в следствие неэффективность дистанционной схемы работы.