Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

Современный инженерно-геологический облик горных пород этой  территории сформировался под воздействием сложного тектонического режима и климатической обстановки на протяжении всех этапов геологического развития. На основе современных представлений о геологическом строении Сибирской платформы и законах ее развития можно установить генетическую связь между строением, составом, состоянием, физико-механическими свойствами горных пород и их комплексов, приуроченностью этих комплексов к определенным геологическим структурам.

     Сибирская  платформа имеет двухъярусное  строение. Нижний структурный ярус слагают сложнодислоцированные и сильнометаморфизованные формации архейского и раннепротерозойского возрастов, образующие фундамент платформы. На дневную поверхность они выходят, на Алданском и Анабарском щитах и в Ангаро-Канской части Енисейского кряжа. Верхний структурный ярус сложен породами от позднепротерозойского до четвертичного возраста. [4]

4.2. Мерзлотно-гидрогеологические условия.

        Закономерности распределения и мощности многолетнемерзлых пород зависят главным образом от историко-климатических и геолого-структурных особенностей платформы. Учитывая динамику изменения геокриологических условий в голоцене, на территории Сибирской платформы можно выделить две геокриологические зоны: Северную и Южную. Граница зон совпадает с границей смыкания позднеголоценовых и плейстоценовых криогенных толщ и имеет большое инженерно-геологическое значение, так как разделяет территорию с различными современными геокриологическими характеристиками (см. приложение табл. 2). На границе мощность криогенной толщи резко увеличивается, подчеркивая ее разновозрастность. Вблизи границы происходит и переход от сплошного распространения к островному через переходную зону прерывистого распространения мерзлоты. К югу от этой линии отсутствуют плейстоценовые сингенетические мерзлые породы и повторно-жильные льды, но широко развиты термокарст и псевдоморфозы.

При всем разнообразии влияния региональных и местных факторов на территории Сибирской платформы прослеживается широтно-зональное изменение основных характеристик криогенной толщи. В южных районах платформы температура мерзлых горных пород изменяется от О до -1°, а мощность островных массивов мерзлых пород - от 3 до 50 м. В северных районах платформы температура горных пород понижается до -14°, а криогенные толщи мощностью до 1500 м и более залегают практически повсеместно. Площади таликов не превышают здесь нескольких процентов.

Внутризональная неоднородность геокриологических условий определяется влиянием региональных и местных факторов. Важнейший из региональных факторов - мобильность отдельных районов в тектоническом отношении. При оценке роли неотектонических движений с геокриологических позиций следует обращать особое внимание на два аспекта: с одной стороны, на существенное изменение рельефа, а с другой - на образование и омоложение тектонических разломов. Устойчивые поднятия (от 100 до 500 м) характерны для большей части территории Сибирской платформы и обусловливают платообразный расчлененный рельеф, абсолютные высоты которого обычно не превышают потолка инверсии температуры воздуха. В условиях зимнего максимального давления воздуха повышение температуры горных пород происходит от днищ долин к водоразделам. Высотный градиент повышения температуры в среднем 2-3°/100 м.

Только в областях, где тектонические поднятия достигали 500-1000 м (плато Путорана, Енисейский кряж, Ангаро-Ленское и Алданское плато), рельеф поднимается выше потолка инверсии температур воздуха и широтно-зональные закономерности формирования основных характеристик криогенной толщи нарушаются влиянием высотно-поясных особенностей теплообмена. Здесь выше потолка инверсии отмечается увеличение суровости геокриологических условий с повышением абсолютной высоты местности. Градиент понижения температуры горных пород с высотой ориентировочно равен 0,5-0,7°/100 м. С увеличением высоты на каждые 100 м мощность криогенной толщи увеличивается на 40-50 м. На вершинах гор Путорана температура пород достигает -15°, что на 7-8° ниже зонально обусловленных (Фотиев и др., 1974).

     На большей части территории коренные породы залегают практически с поверхности. Их криогенное строение определяется трещиноватостью, пористостью и содержанием воды к началу промерзания. Сильная трещиноватость, а следовательно, и льдистость коренных пород до глубины 30-50 м является характерной особенностью Северной зоны. Среди криогенных процессов наиболее развиты: криогенное выветривание и сортировка грунтов, склоновые процессы, а также морозобойное растрескивание грунтов с образованием повторно-жильных льдов и первично-грунтовых жил. Относительные опускания и аккумуляция предопределили геокриологические особенности обширной Центрально-Якутской низменности. Промерзание мощных песчано-глинистых толщ здесь в основном происходило синхронно с накоплением отложений, в результате чего отложения характеризуются значительной льдистостью из-за льда-цемента и широкого развития мощных (до 50 м) сингенетических повторно-жильных льдов. В связи с высокой льдистостью четвертичных отложений и широким развитием повторножильных льдов широко развиты термокарстовые процессы, морозобойное растрескивание и пучение.

Подновление старых и формирование новых тектонических разломов существенно отразились на динамике подземных вод и предопределили особенности формирования геокриологических условий на плато Путорана, вдоль восточного борта Предверхоянского прогиба, в пределах Алданского щита. Специфика геокриологических условий этих районов заключается в уменьшении (по сравнению с зональными характеристиками) мощности толщ многолетнемерзлых пород, увеличении их прерывистости и повышении температуры горных пород.

На большей части платформы геокриологические условия находятся в тесной связи с гидрогеологическими. В связи с тем что в вертикальном разрезе гидрохимические и гидродинамические зоны в различных гидрогеологических структурах сменяются в разной последовательности, а мощность их изменяется в широких пределах, в процессе охлаждения верхних горизонтов земной коры ниже 0о в строгом соответствии с условиями внешней среды формируется различная по своему строению криогенная толща. Гидрогеологические условия формирования различных типов криогенной толщи приведены в табл. 3, а их распространение показано на рис. 4.

Рис.4. Типы криогенной толщи Сибирской платформы: 1-одноярусная I типа; 2-двухъярусная II типа; 3-двухъярусная III типа; 4-II, IV, VI типы; 5-II, III, VII и VIII типы; 6-подтип «б» криогенной толщи II типа. Границы: 7-гидрологических бассейнов I порядка; 8-площадей распространения различных типов криогенной толщи; 9-площадей распространения подтипов криогенной толщи; 10-области многолетнемерзлых пород. А-артезианские бассейны с индексами 1-8 соответственно: Хатангский, Анабаро-Оленекксий, Котуйский, Оленекский, Тунгусский, Якутский, Ангаро-Ленский, Западно-Сибирский. Г-системы гидрогеологических массивов с индексами 1-10 соответственно: Таймырская, Хантайская, Анабарская, Патомо-Витимская, Байкало-Чарская, Алданская, Верхояно-Колымская, Восточно-Саянская, Даурская

Криогенная толща первого типа развита только в восточной и южной частях платформы, в границах Якутского и Ангаро-Ленского артезианских бассейнов, а также в пределах Енисейской и Алданской систем гидрогеологических массивов. Только в границах этих бассейнов непосредственно под толщей многолетнемерзлых пород, в трещинах и порах горных пород, залегают скопления пресных вод преимущественно гидрокарбонатного состава для промышленного и питьевого водоснабжения.

        Двухъярусная криогенная толща второго типа занимает центральную и северную части Сибирской платформы, в границах Анабаро-Оленекского, Котуйского, Оленекского, Тунгусского и Якутского (западная часть) артезианских бассейнов. В границах этих бассейнов непосредственно под толщей многолетнемерзлых пород, в трещинах и порах горных пород - скопление соленых вод и рассолов с отрицательной температурой преимущественно хлоридного состава. Минерализация их достигает 100-200 г/л и только в Анабаро-Оленекском бассейне - 20-30 г/л. Скопления пресных вод гидрокарбонатного состава здесь могут быть обнаружены только в пределах несквозных таликов фильтрационного вида в руслах и поймах крупных рек, а также под ваннами крупных непромерзающих пресных озер.

Двухъярусная криогенная толща третьего типа развита на территории Анабарской системы гидрогеологических массивов, сложенной плотными кристаллическими породами. Здесь по толщей многолетнемерзлых пород залегают морозные породы, поэтому скопления пресных вод приурочены исключительно к породам сезонноталого слоя, а также к несквозным таликам фильтрационного вида под руслами крупных рек. [4]

Сложным строением криогенной толщи характеризуется плато Путорана. Здесь, на низких водоразделах и в долинах, развита толща второго типа, а в высокогорных частях   третий, седьмой и восьмой типы, характеризующиеся преобладанием в разрезе морозных пород, трещины и поры которых не содержат ни воды, ни льда (на карте условно показан восьмой тип криогенной толщи.) На этой территории пресные подмерзлотные воды, видимо, вообще отсутствуют.

Криогенная толща четвертого и шестого типов приурочена в основном к низким морским террасам и шельфу морей Северного Ледовитого океана. Эти типы криогенной толщи характеризуются преобладанием в разрезе скоплений отрицательно-температурных подземных вод морского генезиса. Кроме условно показанного на карте четвертого типа в прибрежных мелководных участках могла сохраниться реликтовая, погруженная в море, криогенная толща второго типа. [4]

         К числу региональных факторов, существенно влияющих на условия формирования геокриологической обстановки, относится и литология пород. В первую очередь следует обратить внимание на закономерности распространения на территории области многолетнемерзлых пород, карбонатных пород и оценить региональные условия возникновения и развития карста. Карстовые и артезианские бассейны и артезианские склоны карстово-пластовых вод служат, как известно, областями концентрации родникового стока. Поэтому подземные воды на протяжении всей эпохи охлаждения оказывали существенное противодействие условиям промерзания пород, обусловливая формирование своеобразной геокриологической обстановки. Под влиянием мощного отепляющего воздействия карстовых вод в этих районах отмечается более высокая температура горных пород, значительная прерывистость и небольшая мощность криогенных толщ. Примером могут служить моноклинальные карстовые бассейны периферии Сибирской платформы, особенно на южных склонах Якутского, Ангаро-Ленского и Тунгусского артезианских бассейнов; в Алданской складчатой области Юхтинско-Ыллымахский и Гынамский карстовые бассейны.

Среди местных факторов, оказывающих влияние на формирование температуры горных пород и в меньшей степени на прерывистость и мощность криогенных толщ, следует выделить: экспозицию склонов, снежный покров, растительность, состав и влажность четвертичных отложений. Они существенно изменяют зональное значение температуры горных пород, в связи с чем необходимо их тщательное изучение при инженерно-геокриологических исследованиях в каждом районе отдельно. Без этих сведений трудно, а иногда невозможно прогнозировать изменения геокриологической обстановки в процессе освоения местности. [4]

ГЛАВА V

Строительство в районах многолетней мерзлоты

5.1. Особенности строительства в  зоне многолетней мерзлоты

Строительство зданий и сооружений на юге, где температура воздуха не опускается ниже 5 градусов и строительство в Сибири различаются. Здесь надо учитывать множество различных факторов. Здания, сооруженные без учета многолетней мерзлоты, могут через некоторое время прийти в негодность. Происходит это потому, что летом земля прогревается неравномерно на несколько десятков сантиметров. При таянии грунт становится влажным, подчас текучим. Он оседает, расползается. Та часть здания, под которой грунт размяк, оседает. Зимой почва снова замерзает, влажный грунт вспучивается и здание перекашивается, а иногда и разрушается. Наличие многолетней мерзлоты в отдельных районах нашей страны ставит перед учеными много задач, решение которых имеет большое практическое значение. Большая часть этих задач учеными уже решена. За последние годы на севере и востоке нашей страны построены сотни городов и поселков. Многие из них стоят на многолетней мерзлоте, стоят прочно, на века. Вспомним хотя бы такой город, как Норильск, построенный за Полярным кругом. Улицы Норильска застроены многоэтажными зданиями. В городе сооружены заводы, школы, больницы, кинотеатры, жилые дома. Здания эти стоят уже многие годы. Правда, приезжий заметит у всех зданий Норильска одну особенность. Они стоят как бы на курьих ножках. Но ножки эти железобетонные. Нижняя часть их уходит вглубь, в слой вечной мерзлоты, а над поверхностью земли они возвышаются не более чем на метр. Воздух свободно проходит под зданием. Грунт зимой замерзает, летом оттаивает, но на здании это не отражается, так как железобетонные сваи прочно вмерзли своими основаниями в слой многолетней мерзлоты, и она держит их, как клещами. Город Норильск соединен железной дорогой с портовым городом Дудинкой, выросшим на берегах сибирской реки Енисей. Эта железная дорога самая северная на земном шаре. В зоне многолетней мерзлоты построены сотни рудников, дающих нашей стране уголь, полиметаллические руды, олово, золото, алмазы и много других ценных полезных ископаемых. Север — громадный край, скованный многолетней мерзлотой,— преображается, раскрывает свои богатства. [9]

При строительстве на территориях с вечномерзлыми грунтами особое значение имеет правильный выбор площадок для строительства с такими грунтами, чтобы они не были пучинистыми, не подвергались образованию наледей и провалов. Кроме того, необходимо выбрать такие объемно-планировочные и конструктивные решения, а также методы осуществления строительства, чтобы обеспечить нормальные эксплуатационные качества зданий.

В зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий строительство зданий в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими приемами:

возведение зданий обычными методами. Этот метод применяют в случае, когда основанием являются скальные или полускальные породы, не имеющие значительных трeщин, заполненных льдом или мерзлым грунтом. Здесь вечная мерзлота не имеет практического значения.

Если глубина залегания таких оснований до 3 м, то фундаменты устраивают обычные; если глубина 3-4 м – железобетонные столбчатые или свайные, а при глубине более 4м – свайные с заглублением свай в толщину ненарушенной структуры путем устройства буровых скважин.

При строительстве на трещиноватых смерзшихся коренных породах прочность основания усиливают путем бурения скважин и нагнетания в них под давлением пара для оттаивания льда и разогрева толщи грунта до 50 °С, после этого сразу нагнетают в трещины под давлением цементный раствор, который затвердевает до охлаждения толщи грунта. Этот же метод используют при строительстве на таликах достаточной мощности при отсутствии в них вечномерзлых включений;

сохранение грунтов основания в вечномерзлом состоянии. Этот метод применяют для просадочных и других слабых льдонасыщенных грунтов мощностью не менее 15 м с устойчивым температурным режимом. Если здание отапливаемое, то основание надежно защищают от подтаивания путем устройства холодного подполья высотой в зависимости от ширины здания в пределах от 0,5 до 1 м и более.

Для проветривания подполья в цоколе устраивают продухи, позволяющие регулировать поступления воздуха в зависимости от времени года;

оттаивание грунта в основании. Этот метод используют при строительстве на грунтах, не имеющих большой осадки при оттаивании. Для того чтобы обеспечить медленное и равномерное оттаивание грунта, рекомендуется глубину заложения принимать минимальной (но не менее конструктивной) в случае, если деятельный слой не состоит из пучинистых грунтов, а также заменять деятельный слой грунта, если он включает пучинистые породы.

При таком методе обеспечивается общая жесткость здания (путем устройства непрерывных железобетонных поясов, замоноличенных швов и др.);