aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2024-70-4-525-540aari-669Research ArticleЛЕДОТЕХНИКАICE TECHNOLOGYMain aspects of constructing snow foundations for the new buildings of the Russian Vostok Station, East AntarcticaMain aspects of constructing snow foundations for the new buildings of the Russian Vostok Station, East AntarcticaPolyakovS. P.PolyakovS. P.

Санкт-Петербург

Sergey P. Polyakov

St. Petersburg

poliakov@aari.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1830-8658PopovS. V.PopovS. V.

Санкт-Петербург

Sergey V. Popov

St. Petersburg

KlepikovА. V.KlepikovA. V.

Санкт-Петербург

Alexander V. Klepikov

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian FederationАО «Полярная морская геологоразведочная экспедиция»; Институт наук о Земле СПбГУРоссияPolar Marine Geosurvey Expedition (PMGE); Institute of Earth Sciences, Saint Petersburg State University (SPbU)Russian Federation202421122024704Специальный выпуск Исследования подледникового озера Восток525540Copyright © Polyakov S.P., Popov S.V., Klepikov А.V., 20242024Polyakov S.P., Popov S.V., Klepikov А.V.Polyakov S.P., Popov S.V., Klepikov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/669

Имеющиеся на сегодняшний день корпуса российской станции Восток (Восточная Антарктида) начали эксплуатироваться в 1963 г. и уже многие годы находятся под снегом. В связи с обширными планами по изучению подледникового озера Восток было принято решение о возведении нового зимовочного комплекса. Поскольку в районе строительства имеется мощная снежно-фирновая толща, установка комплекса требует наличия твердого фундамента. Его размеры, исходя из конфигурации нового зимовочного комплекса, составляют 200×120 м. Строительство фундамента было решено осуществлять путем послойного уплотнения снега. Исходя из ориентировочного веса комплекса в 2500 тонн, времени его эксплуатации около 30 лет и предполагаемого давления опор станции на снежный покров в 100 кПа, плита фундамента должна иметь плотность не менее 550 кг/м³, твердость покрытия более 0,5 МПа. При создании метода ее формирования за основу была принята методика послойного уплотнения снега, разработанная для строительства снежных аэродромов на глубоком снегу, пригодных для приема тяжелых самолетов на колесном шасси. Экспериментальное уплотнение снега осуществлялось с помощью гусениц различных тягачей, после чего выполнялись штамповые испытания снежных поверхностей с различными исходными характеристиками снега. Оценка несущей способности фундамента осуществлялась методом расчета вертикальных механических напряжений на его нижней поверхности, образующихся от давления опор станции. Оценка прочностных характеристик снега производилась как прямыми измерениями по методу Бринелля, так и с помощью механического пресса по отобранным образцам и пенетрометром. В конечном итоге плотность снежных слоев в верхней части фундамента достигла 650 кг/м³. В общей сложности, помимо базового слоя, было сформировано еще 9 дополнительных слоев. Первые восемь — летом 2019/20 г., а последний — в январе 2022 г. Общая толщина фундамента превысила 3 метра. При нанесении снежных слоев осуществлялся геодезический контроль за их толщиной и горизонтальностью. Разброс неровности высоты самой поверхности фундамента не превышал 10 см. Для экономии времени и более эффективного использования техники его поверхность на первом этапе строительства делилась на две равные части размером 200×60 м. На одной из площадок фундамента проводилось уплотнение нанесенного снежного слоя, а на другой, уже уплотненной, наносился очередной снежный слой. По окончании его строительства среднее превышение поверхности относительно естественного снежного покрова составило 210 см. Исходя из скорости аккумуляции снега, а также погружения опор станции и фундамента в снежную толщу, поверхность нижней части опор станции сравняется с уровнем естественного снежного покрова примерно через 30 лет. Фактическое среднее погружение плиты фундамента за два года в снежную толщу составило около 8 см, что неплохо согласуется с теоретическими расчетами. Таким образом, новые корпуса станции Восток удовлетворительно просуществуют на протяжении по крайней мере тридцати лет, а с учетом того, что высоты самих ее опор составляют 4 метра, значительно дольше.

The present buildings of the Russian station Vostok (East Antarctica) began to operate in 1963 and have been under snow for many years. In connection with the extensive plans to study the subglacial Lake Vostok, it was decided to build a new wintering complex. Since there is a thick snow-firn layer in the construction area, the building of the complex requires solid foundations measuring 200×120 m. It was decided to build them by means of layer-by-layer snow compaction. Based on the approximate weight of the complex of 2500 tons, its operation time of about 30 years, and the estimated pressure of the station supports on the snow cover of 100 kPa, the foundations slab must have a density of at least 550 kg/m³, and the hardness of the coating of more than 0.5 MPa. In developing the methodology of constructing the slab for the new wintering complex, the method of layer-by-layer snow compaction was taken as the basis, developed for the construction of airfields on deep snow and suitable for taking heavy aircraft on wheeled landing gear. Experimental snow compaction was carried out using various caterpillar tracks, after which stamp tests of snow surfaces with different initial snow characteristics were performed. The bearing capacity of the foundations was assessed by calculating the vertical mechanical stresses on their lower surface, which are formed by the pressure of the station supports. The strength characteristics of the snow were assessed by direct measurements using the Brinell method and with the help of a mechanical press based on the samples taken and a penetrometer. Ultimately, the density of the snow layers in the upper part of the foundations reached 650 kg/m³. In addition to the base layer, 9 additional layers were formed. The first eight were formed in the summer of 2019/20, and the last one in January 2022. The total thickness of the foundations exceeded 3 metres. Upon their construction, the average surface excess relative to the natural snow cover was 210 cm. Based on the rate of snow accumulation, as well as the subsidence of the station supports and foundations into the snow mass, the foundations surface will equal the level of natural snow cover in approximately 30 years.

станция Востокновый зимовочный комплексметодика уплотнения снегаVostok Stationnew wintering buildingssnow compaction techniqueРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 22-27-00266 «Разработка математической модели развития ледникового покрова с последующим применением для описания субгляциальных гидрологических процессов в районе подледникового озера Восток, Восточная Антарктида»The work was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation Project No. 22-27-00266, “Development of a mathematical model of the ice sheet evolution and its application to study subglacial hydrological processes in the Lake Vostok area, East Antarctica”ReferencesVasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E., Chistyakov V.K., Zubkov V.M., Krasilev A.V., Dmitriev A.N., Yankilevich S.V., Lipenkov V.Y. Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology. 2007;47:10–23. https://doi.org/10.3189/172756407786857776Vasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E., Chistyakov V.K., Zubkov V.M., Krasilev A.V., Dmitriev A.N., Yankilevich S.V., Lipenkov V.Y. Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology. 2007;47:10–23. https://doi.org/10.3189/172756407786857776Ridley J.K., Cudlip W., Laxon W. Identification of subglacial lakes using ERS-1 radar altimeter. Journal of Glaciology. 1993;73(133):625–634.Ridley J.K., Cudlip W., Laxon W. Identification of subglacial lakes using ERS-1 radar altimeter. Journal of Glaciology. 1993;73(133):625–634.Kapitza A.P., Ridley J.K., Robin G.d.Q., Siegert M.J., Zotikov I.A. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996;381(6584): 684–686. https://doi.org/10.1038/381684a0Kapitza A.P., Ridley J.K., Robin G.d.Q., Siegert M.J., Zotikov I.A. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996;381(6584): 684–686. https://doi.org/10.1038/381684a0Masolov V.N., Popov S.V., Lukin V.V., Popkov A.M. The bottom topography and subglacial Lake Vostok water body, East Antarctica. Doklady Akademii nauk = Doklady Earth Sciences. 2010;433(2):1092–1097. https://doi.org/10.1134/S1028334X10080222Masolov V.N., Popov S.V., Lukin V.V., Popkov A.M. The bottom topography and subglacial Lake Vostok water body, East Antarctica. Doklady Akademii nauk = Doklady Earth Sciences. 2010;433(2):1092–1097. https://doi.org/10.1134/S1028334X10080222Popov S.V., Masolov V.N., Lukin V.V. Vostok Lake, East Antarctica: ice thickness, lake depth, ice base and bedrock topography. Led i Sneg = Ice and Snow. 2011;1(113):25–35. (In Russ.)Popov S.V., Masolov V.N., Lukin V.V. Vostok Lake, East Antarctica: ice thickness, lake depth, ice base and bedrock topography. Led i Sneg = Ice and Snow. 2011;1(113):25–35. (In Russ.)Popov S.V. Six decades of radar and seismic research in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2021;61(4):587–619. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673421040110Popov S.V. Six decades of radar and seismic research in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2021;61(4):587–619. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673421040110Lukin V.V. A way to Lake Vostok studies is now open. Problemy Arktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Research. 2012;1(91):5–19. (In Russ.)Lukin V.V. A way to Lake Vostok studies is now open. Problemy Arktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Research. 2012;1(91):5–19. (In Russ.)Ekaykin A.A., Lipenkov V.Y., Kozachek A.V., Vladimirova D.O. Stable water isotopic composition of the Antarctic subglacial Lake Vostok: implications for understanding the lake’s hydrology. Isotopes in Environmental and Health Studies. 2016;52(4–5):468–476. doi: 10.1080/10256016.2015.1129327Ekaykin A.A., Lipenkov V.Y., Kozachek A.V., Vladimirova D.O. Stable water isotopic composition of the Antarctic subglacial Lake Vostok: implications for understanding the lake’s hydrology. Isotopes in Environmental and Health Studies. 2016;52(4–5):468–476. doi: 10.1080/10256016.2015.1129327Alekhina I., Ekaykin A., Moskvin A., Lipenkov V. Chemical characteristics of the ice cores obtained after the first unsealing of subglacial Lake Vostok. In: Siegert M.J., Jamieson S.S.R., White D.A. (eds). Exploration of Subsurface Antarctica: Uncovering Past Changes and Modern Processes. Geological Society, London, Special Publications. 2018;461:187–196. https://doi.org/10.1144/SP461.3Alekhina I., Ekaykin A., Moskvin A., Lipenkov V. Chemical characteristics of the ice cores obtained after the first unsealing of subglacial Lake Vostok. In: Siegert M.J., Jamieson S.S.R., White D.A. (eds). Exploration of Subsurface Antarctica: Uncovering Past Changes and Modern Processes. Geological Society, London, Special Publications. 2018;461:187–196. https://doi.org/10.1144/SP461.3Popov S.V., Boronina A.S., Ekaykin A.A., Klepikov A.V., Leitchenkov G.L., Lipenkov V.Ya., Lukin V.V., Masolov V.N., Richter A., Vorobiov D.M., Cui X., Qiao G., Scheinert M., Dietrich R. Remote sensing and numerical modelling of Lake Vostok, East Antarctica: past, present and future research. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4): 460–476. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-460-476Popov S.V., Boronina A.S., Ekaykin A.A., Klepikov A.V., Leitchenkov G.L., Lipenkov V.Ya., Lukin V.V., Masolov V.N., Richter A., Vorobiov D.M., Cui X., Qiao G., Scheinert M., Dietrich R. Remote sensing and numerical modelling of Lake Vostok, East Antarctica: past, present and future research. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4): 460–476. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-460-476Savatyugin L.M., Preobrazhenskaya M.A. Russian research in Antarctica. St. Petersburg: Gidrometeoizdat; 1999. 360 p. (In Russ.)Savatyugin L.M., Preobrazhenskaya M.A. Russian research in Antarctica. St. Petersburg: Gidrometeoizdat; 1999. 360 p. (In Russ.)Wacker J. New wintering complex at Russian Vostok Station (Vostok, Antarctica). Appendix C-4. Wind Expertise — Snow accumulation. Birkenfeld, Germany: Wacker Ingenieure GmbH; 2019. 14 p.Wacker J. New wintering complex at Russian Vostok Station (Vostok, Antarctica). Appendix C-4. Wind Expertise — Snow accumulation. Birkenfeld, Germany: Wacker Ingenieure GmbH; 2019. 14 p.Paterson W.S.B. Physics of glaciers. Moscow: Mir; 1984. 472 p. (In Russ.)Paterson W.S.B. Physics of glaciers. Moscow: Mir; 1984. 472 p. (In Russ.)Vostretsov R.N., Dmitriev D.N., Putikov O.F., Blinov K.V., Mitin S.V. Main results of geophysical studies of deep wells and ice core in East Antarctica. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 1984;51:172–178. (In Russ.)Vostretsov R.N., Dmitriev D.N., Putikov O.F., Blinov K.V., Mitin S.V. Main results of geophysical studies of deep wells and ice core in East Antarctica. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 1984;51:172–178. (In Russ.)Ekaykin A.A., Tchikhatchev K.B., Veres A.N., Lipenkov V.Y., Tebenkova N.A., Turkeev A.V. Vertical profile of snow-firn density in the vicinity of Vostok station, Central Antarctica. Ice and Snow. 2022;62(4):504–511. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673422040147Ekaykin A.A., Tchikhatchev K.B., Veres A.N., Lipenkov V.Y., Tebenkova N.A., Turkeev A.V. Vertical profile of snow-firn density in the vicinity of Vostok station, Central Antarctica. Ice and Snow. 2022;62(4):504–511. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2076673422040147Ekaikin A.A., Vladimirova D.O., Popov S.V., Lipenkov V.Ya. Accumulation rate and isotope composition of snow in the area of the subglacial Lake Vostok. Certificate of state registration of the database No. 2016620533; 27.04.2016. Appl. No. 2016620007; 11.01.2016. (In Russ.).Ekaikin A.A., Vladimirova D.O., Popov S.V., Lipenkov V.Ya. Accumulation rate and isotope composition of snow in the area of the subglacial Lake Vostok. Certificate of state registration of the database No. 2016620533; 27.04.2016. Appl. No. 2016620007; 11.01.2016. (In Russ.).Manual for design, construction and serviceability assessment of snow and snow-ice Antarctic airfields. Leningrad: Ministry of Civil Aviation of the USSR; 1976. 67 p. (In Russ.).Manual for design, construction and serviceability assessment of snow and snow-ice Antarctic airfields. Leningrad: Ministry of Civil Aviation of the USSR; 1976. 67 p. (In Russ.).Polyakov S.P., Ivanov B.V., Klepikov A.V., Klokov V.D., Lukin V.V., Martyanov V.L. Physicomechanical properties of the snow-firn coating of the runway at Vostok station in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2010;109(1):119–122. (In Russ.).Polyakov S.P., Ivanov B.V., Klepikov A.V., Klokov V.D., Lukin V.V., Martyanov V.L. Physicomechanical properties of the snow-firn coating of the runway at Vostok station in Antarctica. Led i Sneg = Ice and Snow. 2010;109(1):119–122. (In Russ.).Polyakov S.P., Kharitonov V.V. Device to compact snow. Patent for invention RU 2459031; 20.08.2012: Bull. № 23. (In Russ.).Polyakov S.P., Kharitonov V.V. Device to compact snow. Patent for invention RU 2459031; 20.08.2012: Bull. № 23. (In Russ.).Yosida Z. Physical properties of snow. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 377–423. (In Russ.).Yosida Z. Physical properties of snow. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 377–423. (In Russ.).Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barnola J.M., Hori A., Duval P., Hondoh T. Snow/firn densification in polar ice sheets. In: Low Temperature Science Supplement Issue: Physics of Ice Core Records II. Sapporo, Japan: Institute of Low Temperature Science, Hokkaido Univ; 2009; 68:195–222.Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barnola J.M., Hori A., Duval P., Hondoh T. Snow/firn densification in polar ice sheets. In: Low Temperature Science Supplement Issue: Physics of Ice Core Records II. Sapporo, Japan: Institute of Low Temperature Science, Hokkaido Univ; 2009; 68:195–222.Oreshko E.I., Utkin D.A., Erasov V.S., Lyakhov A.A. Methods for measuring the hardness of materials (review). Proceedings of VIAM. 2020;85(1):101–117. (In Russ.)Oreshko E.I., Utkin D.A., Erasov V.S., Lyakhov A.A. Methods for measuring the hardness of materials (review). Proceedings of VIAM. 2020;85(1):101–117. (In Russ.)Bader G. The theory of compaction of dry snow on high-mountain polar glaciers. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 301–328. (In Russ.)Bader G. The theory of compaction of dry snow on high-mountain polar glaciers. Ice and snow. Properties, processes, using. Moscow: Mir; 1966. P. 301–328. (In Russ.)Mellor M. Engineering properties of snow. Journal of Glaciology. 1977;19(81):15–66. https:// doi.org/10.3189/S002214300002921XMellor M. Engineering properties of snow. Journal of Glaciology. 1977;19(81):15–66. https:// doi.org/10.3189/S002214300002921XVoitkovsky K.F. Mechanical properties of snow. Moscow: Nauka; 1977. 128 p. (In Russ.)Voitkovsky K.F. Mechanical properties of snow. Moscow: Nauka; 1977. 128 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.