История возведения городов на вечной мерзлоте связано с различными экспериментами и инновационными разработками.
Столкнувшись с суровыми условиями Заполярья инженеры строители первых городов не до конца понимали, как нужно строить на вечной мерзлоте. В ходе работ было выяснено что мерзлота не такая уж и вечная и никогда не прощает ошибок.
Норильск расположен в 300 километрах от северного Полярного круга. Город и его окрестности относятся к районам Крайнего Севера. Это один из самых холодных городов мира суровым субарктическим климатом. Долгая и ветреная зима длится сначала октября и до конца мая с 30 ноября по 13 января в городе стоит полярная ночь. Именно в таких тяжёлых условиях приходилось работать первым градостроителям.
Методом проб и ошибок они выяснили что все отапливаемые дома в прямом смысле уничтожают под собой вечную мерзлоту. Из-за чего все каменные постройки возведённые с 1937 по 1940 год были деформированы. Первым зданием, разрушенным из-за растаявшего основания, стал цех электролиза никеля, через год покосились и просели жилые бараки. Это произошло из-за того, что первые дома строили также как и на материке используя неглубокий ленточный фундамент. Он представляет собой замкнутый контур из железобетонных элементов возводимых под всеми несущими стенами здания и передающих на грунт нагрузку от дома.
Крайний Север озадачил строителей и дал им понять, что в этих условиях необходимо строить города по-другому.
Начальник Норильстроя Владимир Матвеев попросил руководство создать комиссию из учёных Ленинградского комитета по изучению многолетней мерзлоты и отправить их на помощь градостроителям.
В 1936 году в Норильск приехала группа специалистов, которую возглавил Вацлав Феликсович Тумель. В том же году была построена научно-исследовательская мерзлотная станция. Под руководством учёных на полигонах и в специальных подземных камерах проводили опыты чтобы рассчитать прочность мерзлого грунта.
Пока специалисты пытались понять как в условиях вечной мерзлоты возводить надежно стоящие дома и предприятия, город начал строиться. Первые предприятия возводились на столбчатых фундаментах и только с опорой на скалу. Иногда чтобы добраться до твёрдого основания рыли многометровые котлованы по 15-20 метров.
Начало строительства на Крайнем Севере показало, что это очень сложный трудоемкий и невероятно затратный процесс. Огромные усилия приходилось прикладывать на устройство фундамента чтобы дойти до скального основания. Зимой и летом силами заключённых вручную долбили вечную мерзлоту.
Руководство страны этот метод не устраивал. Таким образом нельзя было построить большой современный город. Нужны были новые инновационные способы строительства.
В 1937 году в Норильске впервые построили здание на сваях. Под руководством инженера Федора Холодного на деревянных сваях возвели Кирпичный завод номер один. Сваи были заглублены в ледяной грунт на 3 метра. В здании было спроектировано вентилируемая подполье для сохранения вечной мерзлоты.Наблюдение за осадкой свайного фундамента показала полное отсутствие деформации. Но метод инженера Федора Холодного оказался нерациональным. Сначала с помощью паровой иглы оттаивали мёрзлый грунт, в образовавшуюся скважину вставляли сваю иждали, когда всё замёрзнет и многолетняя мерзлота восстановится. На это уходила большое количество времени.
В 1959 году был создан Норильский комплексный отдел Красноярского института Промстройниипроект. Его директор Михаил Васильевич Ким, когда-то отбывавший наказание в норильлаге усовершенствовал метод Фёдора Холодного.
Идея заключалась в том, что ледяные линзы — это надежная основа для строительства. Не нужно было оттаивать ледяной грунт или копать котлован до скальной породы. Сваи предполагалось вмораживать в вечную мерзлоту заливая их шламом. При этом сваи становились единым целым с мёрзлой породой. Скважину бурили при помощи самоходного станка ударно-канатного действия типа БС-1 затем туда заливали жидкий шлам, как правило это была вода нагретая до 30°, смешанная с выбуренным грунтом. Затем в скважину опускалась свая, после чего шлам застывал, надёжно скрепляя конструкцию. Через неделю подобная свая могла выдерживать нагрузку до 100 тонн.
Используя этот метод можно было построить 100 квартирный пятиэтажный дом за месяц. Руководство с недоверием отнеслось к подобному методу, но другого выбора не было. Скальные основания в городе заканчивались. Если бы этот метод отвергли, то Норильск попросту перестал бы строиться. Первым зданием, возведенным по разработке Михаила Кима, стал пятиэтажный жилой дом на Гвардейской площади. По сути, это был единственный метод строительства многоэтажных городов на вечной мерзлоте.
Сначала использовались круглые сваи диаметром 300 мм затем экспериментировали с крестообразными и квадратно-двутавровыми сваями и только потом перешли на сваи квадратного сечения. Из-за того, что сваи не нужно было заколачивать их перестали делать заострёнными. У квадратных свай площадь сечения была больше, чем у круглых, соответственно они могли выдерживать нагрузку больше, чем остальные сваи. При строительстве дома стали использовать 100 квадратных свай вместо 200 круглых.
После 1958 года все жилые дома в Норильске строились исключительно на сваях. Темпы строительства были признаны самыми высокими в Советском Союзе. Высокие темпы зачастую не позволяли отслеживать само качество застройки и состояние мерзлого грунта под зданиями. В 1976 году стало ясно что вечная мерзлота не прощает ошибок. В том году обрушилось здание столовой "Белая олень" в Кайеркане. К счастью, в этот момент в столовой находилась не очень много людей. В два часа дня сотрудники услышали, как в углу общего зала раздался треск и на пол упало несколько кафельных плиток. Треск начал усиливаться по стене пошли трещины раздался сильный грохот и здание сложилось как карточный домик. Кто-то чудом успел выбежать на улицу кто-то выпрыгнул в окно. На месте здания стоял плотный столб пыли. Вскоре к месту катастрофы прибыли сотрудники военизированной горноспасательной части. Под обломками здания погибли 10 человек, более 30 получили травмы. Комиссия выяснит что многие посетители столовой не раз замечали, как скрипят стены здания, а сторожа жаловались на странные звуки ночью которые эхом разносились по коридорам. Однако все эти разговоры никем всерьез не воспринимались более того каждой весной стоящая в низине здания заливали паводковые воды, которые могли повредить основание. Но и на это никто не обращал внимания.Комиссия пришла к выводу что здание рухнуло из-за разрушения бетонных столбчатых фундаментов в которых был использован недостаточно морозостойкий бетон. Это привело к полной потере несущей способности бетона. Наказывать проектировщиков строителей и приёмочную комиссию не стали.
В Норильске была проведена большая проверка подобных зданий и были разработаны рекомендации по их эксплуатации.
Многолетняя практика показала, что дома на сваях стоят надежно только при правильной эксплуатации и с обязательным вентилируемым подпольем. Но эти условия соблюдаются не всегда. Ключевую роль здесь играет человеческий фактор. В итоге многие дома в Норильске стали аварийными.
Порой бывает так что вовремя не устраняют коммунальную аварию в итоге потом попадает горячая вода, которая нагревает грунт и сваи. Бывают случаи, когда от фундамента не отводят паводковые воды они задерживаются и размягчают вечную мерзлоту. Из соображений безопасности стали закрывать все открытые пространства под домами, что приводит к плохой вентиляции и как следствие под домом образуется тепло.
Многолетняя практика показала, что именно правильный уход за фундаментом домов на сваях, это залог надежности.
Ведь вечная мерзлота не терпит небрежного к ней отношения.