X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удорожание строительства объектов в Арктической зоне
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Особенности строительства зданий и сооружений на Крайнем Севере.
Для Арктической зоны характерны экстремальные климатические условия: отрицательная среднегодовая температура, полярные ночи, сильные ветры и метели. Область вечной мерзлоты занимает две трети площади нашей страны, её называют стратегическим тылом России, топливно-энергетической базой. Здесь открывают всё новые и новые месторождения, работают комбинаты, шахты, проложены дороги, построены порты и аэродромы. И стоят на вечных льдах целые города, в которых строительство каждого дома можно считать подвигом. Как возводят здания на северных территориях? И какие же существуют особенности заполярных сооружений в условиях сурового климата, в период значительного потепления климата и таяния термокарста? Строительство домов на Севере - довольно сложная работа. Рыхлые грунты — песчаники, галечники и глины — в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведённые на них сооружения нагревают грунт, и он теряет целостность, начинает подтаивать и смещаться. А ещё и период современного глобального потепления оказывает своё влияние. Однако, строить основания зданий на мерзлоте можно, только приняв специальные меры. Особое внимание стоит уделить поддержанию температуры грунта, возведению фундамента и теплоизоляции дома. Строительство жилых объектов в зоне вечной мерзлоты должно сопровождаться применением современных технологий и энергосберегающих материалов.
Фото 1. Свайно-набивные фундаменты в крупнопанельном домостроении.
Начиная с 2010 года происходит значительное потепление климата по нашим данным на южных склонах вечная мерзлота в нашем заполярном поселке подтаяла до 3 метров. Относительно теплые зимы (средняя температура зимы (декабрь, январь, февраль) поднялась с – 28,4˚С до -16,6˚С) приводят к стремительным посадкам сооружений. В этих условиях становиться необходимым использовать установки искусственного охлаждения грунта.
Устройство искусственного охлаждения грунта.
На крупных месторождениях для поддержания отрицательной температуры грунта под зданиями и сооружениями уже давно используются устройства искусственного охлаждения грунта, включающие заполненную хладагентом замкнутую систему труб разного диаметра с восходящими и нисходящими потоками и расширителем, частично погруженную в грунт.
Фото 2. Устройства искусственного охлаждения грунта.
Необходимо отметить, что все эти дополнительные мероприятия приводят к удорожанию капитального строительства в целом, увеличивают ежегодные эксплуатационные затраты
Возведение фундаментов.
Хотя сегодня на Севере применяются несколько вариантов возведения фундаментов на сваях или непосредственно на грунте. Однако в условиях вечной мерзлоты, крепкие и надёжные постройки возможны лишь при существовании свайного основания. Но и тут встаёт выбор между буронабивными и винтовыми типами свай. Какие же из них наиболее практичны в использовании и не затратны при распределении бюджета на строительство?
Технология установки буронабивных и готовых железобетонных свай сопряжена с большим количеством технологических операций по подготовке скважины, забивке и заливке свай, выраниванию свай по горизонтали и т.п.. све эти расходы приводят к дополнительной затрате времени и средств на их возведение.
Фото 3 Буронабивные и винтовые типы свай
Цель и задачи проекта.
Цель – экономически обосновать удорожание объектов строительства в Арктической зоне Западной Сибири
Задачи:
1. Дать сравнительный анализ различным вариантам свайных оснований, включающий в себя подсчёт от удорожания строительства в следствии таяния вечной мерзлоты.
2. Изучить и обосновать необходимость использования устройства искусственного охлаждения грунта.
3. Определить эффективность различных вариантов свайных оснований в сочетании с устройствами искусственного охлаждения грунта.
Сравнительный анализ свайных оснований.
Винтовые сваи давно используются на подвижных грунтах при возведении промышленных зданий, сооружений и коммуникаций. Существенным их приоритетом становится то, что у них повышенная площадь опоры, что в разы уменьшает вертикальные перемещения. Кроме того, они очень устойчивы к горизонтальным смещениям различных слоев грунта. Нашей задачей становиться проанализировать затраты на их установку и эксплуатацию в сочетании с различными устройствами искусственного охлаждения грунта.
Винтовые сваи
Достаточно бурения лидерной скважины, по размерам соответствующей диаметру сваи
Не требуется использование песчано-цементного раствора
Компактность
Фото 4. Технология установки винтовых свай.
Фото 5. Технология установки буронабивных свай.
При установке буронабивные сваи необходим бетонный раствор. При использовании раствора в холодное время приходится разогревать его. Дополнительное время и средства тратятся на установку арматуры. При установке таких свай используется тяжёлое оборудование для бурения скважины большого диаметра.
Отсюда следует, что винтовые сваи имеют ряд преимуществ пред всеми остальными, а именно: компактность, установка без помощи песчано-цементного раствора, а также небольшое количество технологических операций при их установке.
Изменение размеров свай в связи с оттаиванием верхнего слоя мерзлоты в следствии глобального потепления.
По данным департамента капитального строительства в Тазовском районе в возведении домов до 2000 года принимали участие сваи размером 4 м. Сейчас на 2017 год в строительстве пользуются шестиметровыми сваями, но в будущем придется прийти и к применению 9 метровых свай. Увеличение размеров свай повышает затраты на строительство.
Анализ затрат на установку свайных фундаментов
Расчёт затрат на установку винтовых и буронабивных свай
Затраты на установку винтовых свай. Таблица 1.
|
Последовательность строительных операций |
Стоимость машино-часа (руб.) |
Время операции (мин.) |
Стоимость работ (руб.) |
|
|
Стоимость сваи с доставкой |
3150 (4200) |
|||
|
Бурение скважины |
2000 |
15 (20) |
500 (666,6) |
|
|
Ввинчивание опоры |
2000 |
10 (12) |
333,3 (400) |
|
|
ИТОГО: |
3983,3 (5266,6) |
|||
Затраты на установку буронабивных свай. Таблица 2.
|
Последовательность строительных операций |
Стоимость машино-часа (руб.) |
Время операции (мин.) и объём (м3) |
Стоимость работ (руб.) |
|
Стоимость сваи с доставкой |
5750 (7890) |
||
|
Бурение отверстия под сваю |
1500 |
15 (20) |
375 (500) |
|
Сбивки сваи в скважину |
2000 |
20 (25) |
666,6 (833,3) |
|
Затраты на подготовку 0,2 м3 раствора (цемент, песок, работы смесителя) |
1500 руб/м3 |
0,2 м3 (0,3 м3) |
300 (500) |
|
Затраты на набивку свай раствором |
1800 |
18 (22) |
545 (666,6) |
|
Затраты на обрезку свай |
1200 |
12 |
240 |
|
ИТОГО: |
7876,6 (10629,9) |
||
Виды устройств искусственного охлаждения грунта.
Устройства искусственного охлаждения грунта отличаются друг от друга в основном по мощность охлаждения и сечением труб, несущих хладагент. Условно их можно разделить на устройства жилищного назначения (несколько пониженной мощности) и промышленного назначения.
Фото 6. Устройств искусственного охлаждения грунта жилищного назначения
Фото 7. Устройство искусственного охлаждения грунта промышленного назначения.
|
Вид сваи с ценой установки (руб.) размером 9 м |
Вид устройства с ценой установки на одну сваю (руб.) |
Общая стоимость такого сочетаний (руб.) |
|
Буронабивная, 10630 |
Жилищного назначения, 2600 |
13230 |
|
Винтовая, 5267 |
Жилищного назначения, 2600 |
7867 |
|
Буронабивная, 10630 |
Промышленного назначения, 5800 |
16430 |
|
Винтовая, 5267 |
Промышленного назначения, 5800 |
11067 |
Расчёт установки свайных оснований в сочетании с устройствами охлаждения.
Мы сравнили по стоимости сочетания свайных оснований с устройствами искусственного охлаждения грунта и пришли к выводу, что устройство промышленного назначения будет стоить дороже при высоком качестве эксплуатации. А наиболее выгодным сочетанием для устройства жилищного будет использование винтовых свай.
О бласть эффективного использования.
Диаграмма затрат на установку буронабивных и винтовых свай в сочетании с устройствами искусственного охлаждения грунта.
Нет сомнения в том, что винтовые сваи с любом сочетании с устройствами искусственного охлаждения грунта эффективнее по своей стоимости и прочности основания. Будущее за винтовыми сваями.
Надеемся, наш проект будет полезен для строителей и эксплуатационников арктической зоны Западной Сибири.
Выводы.
1.Расчёты показывают, что необходимо перейти на использование винтовых свай в строительстве на Крайнем Севере. Это позволит почти вдвое снизить затраты на возведение фундаментов и увеличит их прочность.
2. Затраты на возведение свайного основания под промышленные здания, сооружения и коммуникации увеличатся в 2-4 раза с дальнейшим потеплением климата.
3. Объекты жилищного и административного назначения необходимо оборудовать устройствами искусственного охлаждения грунта. При этом последует удорожание эксплуатационных затрат на 20-40 % в зависимости от интенсивности таяния вечной мерзлоты. Если сейчас мы платим только за отопление зимой, то в будущем будем платить ещё за охлаждение фундамента летом.
Источники и литература:
1. Строительство на мерзлоте: опыт и новшества http://sibforum.sfu-kras.ru/node/106
2. Дома Крайнего Севера на винтовых сваях http://spk-vostok.ru/stati/148-doma-krajnego-severa-na-vintovykh-svayakh/
3. Иоффе М.А., Глотов Д.А., Сафронов В.В. [и др.] ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
4. УСТРОЙСТВО БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ http://moifundament.ru/svajnyj/buronabivnye-svai-texnologiya.html
5. Устройство для искусственного охлаждения грунта http://www.findpatent.ru/patent/74/746036.html