Многолетнемерзлые грунты. Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

 

 Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

 

 В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000...-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

 

 Горные породы, длительное  время (от нескольких лет до  многих тысячелетий) находящиеся  при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта.

 

 Многолетняя мерзлота  — необычное явление природы, на которое обратили внимание  еще землепроходцы в XVII в. О ней  упоминал в своих работах В.Н. Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я. Барановым и многими другими учеными.

 

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км2, что составляет почти 65% территории страны (см. схему 2).

 

Южная ее граница проходит по центральной части Кольского полуострова, пересекает Восточно-Европейскую равнину близ полярного круга, по Уралу отклоняется к югу почти до 60° с.ш., а вдоль Оби — к северу до устья Северной Сосьвы, далее проходит по южному склону Сибирских Увалов к Енисею в районе Подкаменной Тунгуски. Здесь граница круто поворачивает к югу, проходит вдоль Енисея, идет по склонам Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке граница мерзлоты идет от Амура к устью Селемджи (левого притока Зеи), затем по подножию гор левобережья Амура к его устью. Мерзлота отсутствует на Сахалине и в прибрежных районах южной половины Камчатки. Пятна мерзлоты встречаются южнее границы ее распространения в горах Сихотэ-Алиня и в высокогорьях Кавказа.

 

Схема. 2. Распространение многолетней мерзлоты по территории России

 

 В пределах этой  обширной территории условия  развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные районы  Сибири, острова азиатского сектора  Арктики и северный остров  Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой. Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет -6...-12°С, а его мощность достигает 300-600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (-2...-6°С), а мощность уменьшается до 50-300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25-50 м. Это — островная мерзлота.

 

В мерзлой толще концентрируются большие запасы воды в виде подземных льдов. Часть их образовалась одновременно с вмещающими породами (сингенетические льды), другая — при замерзании воды в ранее накопившихся толщах (эпигенетические).

 

 Большая мощность многолетней  мерзлоты, находки в ней хорошо  сохранившихся мамонтов свидетельствуют  о том, что многолетняя мерзлота  — продукт весьма продолжительного  накопления холода в толщах  горных пород. Подавляющее большинство  исследователей считает ее реликтом  ледниковых эпох. Современный климат  на большей части территории распространения мерзлоты лишь способствует ее сохранению, поэтому малейшее нарушение природного равновесия ведет к ее деградации. Это необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории, в пределах которой распространена мерзлота.

 

 Многолетняя мерзлота  оказывает влияние не только  на подземные воды, режим и  питание рек, распространение озер  и болот, но и на многие другие  компоненты природы (рельеф, почвы, растительность), а также на хозяйственную  деятельность человека. При разработке  полезных ископаемых, прокладке  дорог, строительстве, при проведении  сельскохозяйственных работ необходимо  тщательно изучать мерзлый грунт  и не допускать его деградации.

 

2.2. Виды многолетней  мерзлоты и процессы вызванные многолетней мерзлотой на территории России

 Как уже было отмечено, примерно 65% территории России имеют  вечномерзлые грунты, поэтому строительство  сооружений в подобных условиях  является актуальной проблемой.

 

 Термин вечная мерзлота  следует представлять во временном  периоде порядка нескольких сотен  лет и более, а в общем случае, в соответствии со временем  существования мерзлоты, следует  рассматривать следующие структуры:

• Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет.
• Многолетнемёрзлые (м.м.), существование годы , десятки лет.
• Сезонная мерзлота, существование часы, сутки.

Существует несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной геологии (геокриологии) известны следующие виды: сплошная мерзлота, слоистая мерзлота, островная мерзлота и линзовая мерзлота. Рассмотрим эти виды вечной мерзлоты подробнее.

 

2.2.1.Сплошная мерзлота

 Данный вид мерзлоты  встречается на крайнем севере России.

 Схема существования  сплошной мерзлоты с основными  принятыми обозначениями, представлена в схеме 3.

 

Схема 3. существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями.

 

2.2.2. Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты)

 

 Данный вид мерзлоты  встречается в отдельных местах  и не имеет чёткой теории  происхождения. Одной из теорий  предполагается, что этот вид мерзлоты (см. схему 4) произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

 

Возможно, возникла тектоническая трещина, по которой прошла вода (тепло), и оттаял слой грунта с большей теплопроводностью.

 

 

Схема 4. существования слоистой мерзлоты с основными принятыми обозначениями.

 

 Интересно отметить, что  ещё издавна исследователи ставили  вопрос о мощности слоя многолетней  мерзлоты. Так в 1827 г. в Якутске  русский купец Фёдор Шергин (служащий  Русско-Американской компании) решил  прокапать мёрзлый грунт для  колодца и добыть воду. В последствии он заключил пари. Разработав примерно 100 м - мёрзлый грунт не был пройден. В результате Фёдор Шергин практически разорился. Русская Академия наук заинтересовалась этим и выделила деньги для продолжения работ - этих денег хватило ещё примерно на 15 м проходки. Таким образом, был откопан колодец глубиной H = 116,4м - за 16 лет. Этот колодец носит название «Шергинская шахта» и до сих пор находится почти в центре г. Якутска. В последующем данная шахта послужила объектом для научно-исследовательских работ. Теплотехническими расчётами была определена мощность многолетнемёрзлого слоя в данном месте, которая составила примерно 500 м.

 

2.2.3. Островная  мерзлота

 Такой вид мерзлоты  с размерами в плане от десятков  до нескольких сотен метров  и глубиной до 10 и более метров, встречается в районе Сибири (северная  часть Красноярского края, Иркутской, Читинской областей) (см. схему 5).

 

Схема 5. существования островной мерзлоты на фоне талого грунта.

 

Часто бывает затруднительно геологическими изысканиями точно определить расположение такой мерзлоты. Не учёт (не определённое положение) данной мерзлоты может вызвать значительные трудности при возведении сооружений в этих районах. Необходимо проводить более точную (подробную) геологическую разведку.

 

2.2.4. Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме 6. Размеры такой мерзлоты в плане могут составлять десятки метров, а мощность не превышать нескольких метров. Такие линзы на фоне талого грунта опасны тем, что их очень сложно определить. Если при постройке здания линза не была определена, и здание хотя бы частично будет накрывать линзу, то в процессе эксплуатации тепловые потоки от здания вызовут деградацию (оттаивание) линзы, что спровоцирует непрогнозируемые неравномерные осадки.

 

Схема 6. существования линзовой мерзлоты на фоне талого грунта.

 

Если проследить за изменением многолетней мерзлоты в Сибири с Севера на Юг, то можно последовательно встретить все перечисленные виды мерзлоты. Однако линзовая мерзлота может образоваться и «искусственно» на застраиваемых территориях при условии нарушения теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой.

 

 Так, к примеру, ещё  в г. Иркутске в 1925 г. были зарегистрированы случаи образования линз мёрзлого грунта. Строительство здания здесь было начато в 1917 г. и затем законсервировано на 8 лет. В результате под зданием образовалось линза мёрзлого грунта, которая после начала эксплуатации здания начала таять, что повлекло за собой неравномерные осадки и аварийную ситуацию в здании. Подобные явления были обнаружены в г. Братске и г. Шелехове (Иркутская область).

 

 Следует привести результаты  эксперимента, который был поставлен  в г. Братске (Рощин В.В.) (см. схему 7). Над поверхностью грунта был построен навес размером 11 м на 24 м (такая конструкция из-за невозможности попадания солнечных лучей на грунт, нарушала естественный теплообмен в основании).

 

Схема 7. Исследовательской площадке по изучению условий искусственного образования линзы мёрзлого грунта.

 

Поперёк навеса с севера на юг были пробурены исследовательские скважины, позволяющие определять глубину промерзания (оттаивания) грунта. Наблюдения показали развитие следующего процесса:

• Через 1 год существования навеса протаивание грунта закончилось к концу сентября.
• Через 2 года существования навеса протаивание грунта закончилось к концу ноября.
• Через 3 года существования навеса протаивание грунта не происходило, так как под навесом образовалась линза мёрзлого грунта.

Таким образом, данные исследования наглядно показали, насколько чувствительна природная среда к внешним воздействиям.

 

 Если пробурить скважину  в мёрзлом грунте, то мы увидим следующую картину (см. схемау 8) изменения температуры грунта по глубине (z)

Схема 6. сезонных изменений температуры деятельного и вечномёрзлого грунтов по глубине основания в различные периоды времени.

 

В летний период надмерзлотный слой грунта (деятельный слой) будет иметь положительную температуру, т.е. будет находиться в талом состоянии. С началом зимнего периода, при понижении температуры воздуха и поверхности грунта до отрицательного значения, надмерзлотный слой грунта начнёт промерзать. Годовые изменения амплитуды температуры данного слоя по глубине основания достигнут величины Н0, ниже которой грунт будет находиться практически при постоянной отрицательной температуре ≈-4°C (многолетняя мерзлота).

 При циклическом действии отрицательной и положительной температуры на грунт, в последнем возможно три стадии:

1. Замерзание.
2. Мёрзлое состояние.
3. Оттаивание.

В каждом из названных состояний грунт будет иметь различные свойства.

 

Мёрзлый грунт - это грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своём составе лёд.

 

2.2.5. Ежегодное  оттаивание и промерзание деятельного  слоя грунта

 Промерзание деятельного  слоя в зимний период может  происходить не на всю глубину, в этом случае говорят о  несливающейся мерзлоте, так как между деятельным слоем и многолетней мерзлотой будет находиться прослоек талого грунта (см. схему 9).

 

Схема 9. Несливающегося деятельного слоя грунта и возможность прокладки инженерных коммуникаций в этих условиях.