Одной из наиболее актуальных проблем проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений в северных и восточных регионах России является обеспечение их эксплуатационной надежности в условиях криолитозоны.
Освоение северных газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, строительство систем магистральных трубопроводов и других объектов развитой инфраструктуры осуществляется в основном по I принципу строительства с сохранением грунтов оснований в мерзлом состоянии. Ввиду значительной протяженности месторождений и трубопроводов с севера на юг геокриологическое строение территорий освоения крайне неоднородно. Одни сооружения располагаются в пределах островного и массивно-островного распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) с температурами от минус 0,1 °С до минус 3,0 °С, а другие — в зоне сплошного распространения ММГ с достаточно низкими отрицательными температурами до минус 5 °С.
Изменение геокриологических условий грунтов оснований объектов, как в процессе строительства, так и в период эксплуатации оказывает существенное воздействие на стабильность оснований и фундаментов и, соответственно, на устойчивость самих сооружений. Развитие опасных негативных инженерно-геокриологических процессов, в том числе пучения, термокарста, просадок при оттаивании мерзлых грунтов и др. начинается даже при незначительных изменениях установившегося теплового баланса в геотехнической системе «атмосфера – сооружение – ММГ».
В процессе многолетних обследований выявлены многочисленные случаи деформаций и подвижек фундаментов различных сооружений как следствие ошибок, допущенных при проектировании, отклонений от проектных решений при строительстве, так и техногенного влияния в процессе эксплуатации этих объектов.
Режимные наблюдения за температурой грунтов и сопоставления их фактического состояния с материалами инженерно-геологических изысканий прошлых лет позволили в ряде случаев выявить изменения температурных режимов грунтов, глубин сезонного промерзания (оттаивания), что и определило причины деформаций сооружений.

Площадка строительства расположена в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов и строительно-климатической зоне с суровыми условиями. Категория сложности инженерно-геокриологических условий участка работ — III.
Геологическое строение представлено твердомерзлыми глинами, суглинками, супесью, щебенистым грунтом, пластичномёрзлыми торфами различной степени льдистости и льдами.
По данным термокаротажа среднегодовые температуры грунтов на глубине 10,0 м
от поверхности изменяются от минус 5,4 до минус 7,7 °C.
На площадке строительства выделяется несколько характерных типов грунтовых условий. Наиболее сложным является разрез с присутствием в основании объекта проектирования торфа и льда (тип Б) (рис. 2).

Объект проектирования: резервуар 30 000 м³ диаметром 45,6 м. Конструкция фундамента сборные железобетонные плиты на металлических балках по сваям с устройством вентилируемого подполья (рис. 3).

В виду отсутствия объемов местных карьеров с песком, сложности и высокой стоимости доставки песка инженерная подготовка запроектирована из местного глинистого грунта и щебня фракции 0–50 мм (слоями различной мощности и фракций). Высота насыпи в зависимости от рельефа варьируется в пределах от 0,7 м до 7,5 м.

Строительство на многолетнетнемерзлых грунтах сложный процесс, требующий применения специальных технологий, учета множества факторов на этапе проектирования, соблюдения технологий производства работ и принятия технических решений для устранения или минимизации последствий возникающих проблем.
На данном объекте так же не обошлось без возникновения проблем.
В процессе проведения работ по инженерной подготовке площадки, возникла проблема с производством и доставкой требуемого объема щебня фракции до 50 мм. Принято решение о применении в устройстве насыпи крупнообломочной скальной породы с фракцией до 300 мм с заклинкой верхнего слоя фракцией 20–40 мм (рис. 4). Что в свою очередь создает сложности с устройством СТСГ и ее дальнейшей эксплуатацией. В частности, это возможность повреждения подземных труб СТСГ при уплотнении и сложность бурения вертикальных скважин диаметром до 100 мм под вертикальные трубы СТСГ.

Также, при бурении скважин для устройства буроопускных свай столкнулись с неоднородностью геологических элементов, а именно с включением скальных пород (валуны, глыбы). При таких обстоятельствах возникли сложности с подобранными ранее механизмами для производства работ (очень низкая производительность) и экономической целесообразностью бурения скважин для термостабилизаторов.
Уделим особое внимание техническим решениям по термостабилизации грунтов основания при устройстве насыпи из крупнообломочных скальных пород.

Учитывая наличие льда и сильнольдистых грунтов в инженерно-геологическом строении возможно развитие таких негативных инженерно-геокриологических процессов как: термокарст, просадка при оттаивании мерзлых грунтов. Следовательно, для обеспечения эксплуатационной надежности в условиях криолитозоны требуется предусмотреть дополнительные проектные решения по минимизации теплового влияния от объекта проектирования и стабилизации грунтов основания.
Для снижения теплового влияния от сооружения на многолетние грунты могут быть применены следующие основные мероприятия:

• выполнение тепловой изоляции днища резервуара. Необходимость в тепловой изоляции определяется по ряду критериев (температура среды, климатические условия, специфика технологических процессов);
• устройство теплоизоляционных экранов. При размещении здания на песчаной подушке или по грунту предусматривается котлован и на дно выкладывается теплоизоляционный экран, ограничивающий тепловое влияние от объекта;
• устройство вентилируемого подполья. Вентилируемое подполье - открытое пространство под зданием между поверхностью грунта и перекрытием первого (цокольного, технического) этажа. Вентилируемые подполья с естественной или побудительной вентиляцией следует применять для сохранения мерзлого состояния грунтов в основаниях жилых и промышленных зданий и сооружений, в том числе сооружений с повышенными тепловыделениями;
• применение сезонно-действующих охлаждающих устройств. Сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) предназначены для охлаждения, замораживания и поддержания грунтов в мерзлом состоянии. В основе технологии СОУ лежит устройство передачи тепла (термосифон), которое в зимний период извлекает тепло из почвы и передает его в окружающую среду. Важной особенностью этой технологии является то, что она естественно-действующая, т.е. не нуждается во внешних источниках энергии;
• применение систем температурной стабилизации грунтов. Система температурной стабилизации грунтов (СТСГ) — это герметичная конструкция из труб, заправленных хладагентом, и состоящая из надземной части — конденсатора и подземной части – испарителя (криогенопроводы), предназначенная для охлаждения грунтов, с целью поддержания проектного температурного режима грунтов и обеспечения несущей способности многолетнемерзлых грунтов в основании сооружений в течение всего периода строительства и эксплуатации.

Все из перечисленных мероприятий и др., а также их комбинации, широко используются при обустройстве объектов топливно-энергетического комплекса.
Наиболее распространённым и протяженным объектом нефтегазовой промышленности является трубопроводный транспорт. В районах распространения ММГ линейные трубопроводы, как подземные, так и надземные, требуют применения мероприятий по термостабилизации грунтов основания, если не допускается применение II-го принципа использования грунтов основания. Для трубопроводов в зависимости от геокриологических условий при I принципе, чаще всего, применяются следующие мероприятия или их комплекс (согласно ТЭО): теплоизоляция трубопровода; теплозащитный экран; устройство СОУ.

Для площадочных объектов при тех же условиях: теплоизоляция объекта; вентилируемое подполье; теплозащитный экран; устройство СОУ или СТСГ.
Использование термоизолированных лифтовых труб и термокейсов и для обеспечения устойчивого положения устьев скважин (добывающих, нагнетательных и др.).
Топливно-энергетический комплекс не может обойтись без транспортной инфраструктуры – автомобильных дорог. Для термостабилизации дорожного полотна в районах распространения ММГ также имеется комплекс мероприятий, включающий в себя применение различных геосинтетических материалов, устройство теплоизоляции в основании, применение СОУ и др.
При выборе мероприятий для минимизации теплового влияния от объекта, обеспечения сохранения ММГ и эксплуатационной надежности сооружения требуется учитывать такие факторы как:

• климатические условия района строительства;
• инженерно-геологические, -геокриологические условия;
• изменение условий в следствии производственной деятельности;
• температурный режим объекта строительства;
• проблему изменения климата — потепление (согласно данным из доклада Росгидромета об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2023 г.).

Также, немаловажными факторами являются комплекс мероприятий по инженерной подготовке объекта и соблюдение технологии производства работ на каждом этапе строительства.
Анализ и проведение прогнозных теплотехнических расчетов изменения температурного режима в грунтовом основании с учетом вышеперечисленных факторов
(согласно п 4.7 СП 25.13330.2020) позволяют определить необходимость применения тех или иных мероприятий по термостабилизации грунтов основания или их экономическую нецелесообразность для рассматриваемого объекта в рамках технико-экономического обоснования (ТЭО) и, как следствие, необходимость поиска новых решений.
Для проектируемого объекта рассмотрим несколько комбинаций из вышеописанных мероприятий при наихудших грунтовых условиях — тип Б (рис. 2):

• устройство резервуара на свайном основании с вентилируемым подпольем и СТСГ;
• устройство резервуара на грунтовой подушке с теплоизоляционным экраном и СТСГ;
• устройство резервуара на свайном основании с вентилируемым подпольем и СОУ.

Согласно проектным решениям, размещение резервуара принято на свайном основании с вентилируемым подпольем и монтажом СТСГ на песчаной подушке для исключения повреждения криогенопроводов при уплотнении щебня.
Теплотехнический расчет прогнозных температур грунтов основания выполнен в ПК «Frost 3D», в расчете учтены:

• тепловая изоляция днища (предусмотрена из условия обеспечения технологических процессов, уменьшения теплопотерь хранимого продукта и уменьшения затрат на обеспечение требуемой температуры);
• вентилируемое подполье (предусмотрено для исключения теплового влияния резервуара на грунты основания);
• теплоизоляционный экран (предусмотрен для уменьшения проникновения положительных температур в летний период);
• СТСГ (предусмотрена для стабилизации залегающих торфа и льда).
• изменение климатических условий — тренд потепления 0,04.

По результатам расчета прогнозных температур к концу первого зимнего периода, в результате принятых мероприятий по стабилизации грунтов, под резервуаром происходит понижение температуры до минус 8÷10 °С. Понижение температуры относительно начального температурного распределения 0,1÷5,0 °С.
На конец первого летнего периода (СТСГ автоматически отключилась) за счет перераспределения температур в массиве грунтового основания под резервуаром устанавливаются температуры минус 4,5÷8,5 °С.
Через 30 лет эксплуатации на конец летнего периода (рис. 5) устанавливаются температуры минус 10÷16 °С.

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод, что применение вентилируемого подполья, теплоизоляционного экрана и системы СТСГ эффективно для обеспечения стабилизации грунтов основания и несущей способности свай.
В сложившихся условиях строительной площадки с учетом выполнения отсыпки из крупнообломочных скальных пород выделим следующие достоинства и недостатки (табл. 1).

При рассмотрении возможности устройства свайного фундамента и СТСГ совместно с Заказчиком и организацией, выполняющей строительство, учитывая недостатки, пришли к вопросу о поиске альтернативных вариантов стабилизации грунтов основания.

Одним из таких вариантов рассматривалось устройство резервуара на песчаной подушке высотой 2,2 м без применения свайного основания и монтажом СТСГ.
Теплотехнический расчет прогнозных температур грунтов основания выполнен в ПК «Frost 3D», в расчете учтены:

• тепловая изоляция днища (предусмотрена из условия обеспечения технологических процессов, уменьшения теплопотерь хранимого продукта, уменьшения затрат на обеспечение требуемой температуры и уменьшения теплового влияния на грунты основания);
• грунтовая подушка (предусмотрен для обеспечения проектных отметок обвязки трубопроводов);
• теплоизоляционный экран (предусмотрен для уменьшения теплового влияния резервуара на грунты основания);
• СТСГ (предусмотрена для стабилизации грунтов основания вне зависимости от наличия торфа или льда, СТСГ без вертикальных криогенопроводов для исключения устройства скважин).
• изменение климатических условий — тренд потепления 0,04.

По результатам расчета прогнозных температур к концу первого зимнего периода, в результате принятых мероприятий по стабилизации грунтов, под резервуаром не происходит изменения температур.
На конец первого летнего периода (СТСГ автоматически отключилась) под тепловым влиянием резервуара происходит повышение температуры в пределах 0,5 °С.
Через 30 лет эксплуатации на конец летнего периода (рис.6) несмотря на применение теплоизоляции днища резервуара, теплоизоляционного экрана и СТСГ температура грунтов основания повышается до минус 0,5÷3 °С. Чаша оттаивания не образуется. С повышением температур грунты переходят в пластичномерзлое состояние, что может привести к неравномерным осадкам.

Обобщая полученные результаты можно сделать вывод, что отказ от свайного основания и вентилируемого подполья негативно сказывается на обеспечении стабилизации грунтов основания.
Так же отмечены следующие недостатки:

• отсутствие песка в районе площадки строительства. Устройство подушки из крупнообломочных пород недопустимо. Необходима фракция грунта 0–10 мм;
• предполагается использование верхних слоев грунтового основания с наиболее нестабильными характеристиками (стабильность характеристик увеличивается с глубиной), которые зависят от периодичности изменения температуры продукта в РВС температуры наружного воздуха, скорости ветра величины снегозаносов и других факторов (данные параметры либо отсутствуют в НТД, либо даются усредненные значения по результатам многолетних наблюдений). Для предлагаемого варианта (устройства РВСП на грунтовой подушке), подтвердить надежность сооружения основываясь на расчетных выводах не представляется возможным. В материалах изысканий нет характеристик насыпных грунтов для расчета фундаментов. Характеристики могут быть определены после стабилизации грунтов. Период стабилизации грунтов от 6 месяцев до 1 года;
• после стабилизации насыпных грунтов необходимы дополнительные материалы изысканий (статическое и динамическое зондирование и штамповые, прессиометрические или трехосные испытания) для получения модуля деформации. Срок проведения изысканий — 3 месяца;
• грунтовая подушка также должна стабилизироваться после ее устройства. После стабилизации должна быть вторая ступень изысканий для получения модуля деформации грунтовой подушки;
• после получения материалов изысканий будет выполнено конструирование фундаментов. На площади резервуара возможны различные модули деформации, что создает неравномерную осадку. При разнице осадки превышающей нормативно допустимую — применение грунтовой подушки недопустимо. Возможное основание — только свайные фундаменты;
• обязательное применение термостабилизации. Необходимость резервной системы;
• при уплотнении грунтовой подушки возможно повреждение систем термостабилизации. Системы термостабилизации неремонтопригодны без демонтажа РВСП.

Данный вариант рассматривался в связи с единственным преимуществом – отсутствие необходимости бурения скважин в виду длительности сроков погружения из-за неоднородности инженерно-геологических элементов (включения валунов, глыб).
Таким образом, устройство резервуара на грунтовой подушке в данных геологических условиях не обеспечивает безопасной эксплуатации сооружения.

Следующим альтернативным вариантом рассматривалось устройство резервуара на свайном основании с применением индивидуальных термостабилизаторов грунта.
В более однородных грунтовых условиях СОУ погружают в пробуренную скважину диаметром 80 мм на небольшом расстоянии от сваи равным 0,5÷1,0 м. В условиях данной строительной площадки с учетом неоднородности инженерно-геологических элементов (включения валунов, глыб) и устройства насыпи из крупнообломочных скальных пород бурение скважин для погружения СОУ являлось затрудняющим фактором. В целях уменьшения количества бурения скважин рассматривался вариант увеличения диаметра скважины под сваю для погружения СОУ совместно со сваей (рис. 7)

Данный способ погружения не является типовым, возник вопрос об эффективной работе СОУ в данных условиях и возможность реализации при производстве работ. Для получения ответов на эти вопросы первым этапом были выполнены теплотехнические расчеты оценки работоспособности СОУ. В расчет принят термостабилизатор грунта, погруженный в цементно-песчаный раствор, общей длиной 13 м, с теплоизоляционной вставкой 5 м, конденсатором 1,1 м и испарителем 6 м. Ввиду близкого расположения конденсаторной части СОУ к телу сваи для лучшего обдува после установки сваи и СОУ в проектное положение выполнить наклон конденсаторной части на 10° относительно вертикали. Несмотря на наклон для увеличения обдува в расчетной модели характеристики конденсаторной части (площадь) СОУ, отвечающие за мощность работы, уменьшены на 30% для учета непрогнозируемых факторов, таких как направление и сила воздушных потоков и др.
По результатам расчета при погружении СОУ в цементно-песчаный раствор (ЦПР) наблюдается понижение температуры грунтов в радиусе более 1 м, что подтверждает его работоспособность (рис. 8, табл. 2).

Следующим этапом стало пробное погружение СОУ со сваей на площадке строительства. СОУ крепится к свае с помощью хомутов из арматуры и наконечника приваренных к телу сваи (рис. 9), конденсаторная часть закрывается защитным кожухом, выполненным из слоя утеплителя толщиной 15 мм покрытого защитной пленкой, и опускаются в пробуренную скважину с установленной в ней обсадной трубой, защищающей стенки скважины от обсыпания (рис. 10). Скважина заполняется цементно-песчаным раствором с последующим извлечением обсадной трубы.

По результатам выполнения работ сделаны выводы, что реализация решения возможна, но требуется большое внимание уделять погружению сваи и извлечению обсадной трубы для исключения повреждения конденсаторной части СОУ. Продолжается наблюдение за опытными сваями.
Теплотехнический расчет прогнозных температур грунтов основания под резервуар на свайном основании с использованием СОУ выполнен в ПК «Frost 3D», в расчете учтены:

• тепловая изоляция днища (предусмотрена из условия обеспечения технологических процессов, уменьшения теплопотерь хранимого продукта и уменьшения затрат на обеспечение требуемой температуры);
• вентилируемое подполье (предусмотрено для исключения теплового влияния резервуара на грунты основания);
• сезонно-действующие охлаждающие устройства (предусмотрены для стабилизации залегающих торфа и льда).
• изменение климатических условий — тренд потепления 0,04.

По результатам расчета прогнозных температур к концу первого зимнего периода, в результате принятых мероприятий по стабилизации грунтов, под резервуаром происходит понижение температуры до минус 8÷10 °С. Понижение температуры относительно начального температурного распределения 0,1÷5,0 °С.
На конец первого летнего периода (СОУ автоматически отключились) за счет перераспределения температур в массиве грунтового основания под резервуаром устанавливаются температуры минус 4,5÷8,0 °С.
Через 30 лет эксплуатации на конец летнего периода (рис. 11) устанавливаются температуры минус 10÷16 °С.

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод, что применение вентилируемого подполья и СОУ эффективно для обеспечения стабилизации грунтов основания и несущей способности свай.
В сложившихся условиях строительной площадки с учетом выполнения отсыпки из крупнообломочных скальных пород выделим следующие достоинства и недостатки (табл. 3).

Сравнение стоимость рассматриваемых вариантов устройства фундамента с залеганием в грунтах основания льда и скальных пород выполнено для проектного решения (вариант №1) и для альтернативного решения с применением СОУ (вариант №3). Устройство резервуара на грунтовой подушке не принято в технико-экономическое сравнение ввиду того, что устойчивость грунтов основания и безопасная и безаварийная эксплуатация резервуара НЕ ОБЕСПЕЧЕНЫ.
Технико-экономические показатели рассмотрены относительно проектного решения и представлены процентном соотношении (табл. 4).

Строительные работы включают в себя: инженерную подготовку, материалы и работы по устройству свайного основания, работы по устройству работ по температурной стабилизации основания. Раздел ТСГ — стоимость оборудования для термостабилизации основания (СТСГ, СОУ)
По результатам сравнения вариант № 3 является более экономически выгодным на 5,5 %.