Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

В процессе промерзания и оттаивания могут происходить деформации грунта, которые достигают 20…30% и более. От чего это происходит? Из курса физики известно, что вода при замерзании увеличивается всего на ≈ 9%, однако в природных условиях данное явление объясняется миграцией влаги (перемещение грунтовой воды из нижележащих талых слоёв к фронту промерзания), которая в большой степени проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к морозному пучению грунтов. [7]

2.2.6. Пучение грунтов при промерзании

Необходимо отметить, что это очень важная проблема, с разрешением которой строители очень часто встречаются не только в районах многолетнемёрзлого грунта, но и в районах глубокого сезонного промерзания. Поэтому об этом нужно говорить отдельно.

Необходимо упомянуть, что впервые с этим вопросом строители встретились при строительстве железных дорог на севере России (Сибири). При сливающемся деятельном слое, пучение глинистых грунтов, вследствие миграции влаги из нижележащих ещё талых слоёв к фронту промерзания, приводит к обезвоживанию нижележащего слоя (см. схему 8).

Схема 8. Сливающийся деятельного слой и развитие в нём явления пучения грунта.

Если обозначить: hпучен. - величину пучения грунта; Нпр. – толщину промерзающего деятельного слоя (Д.С.), то активная зона пучения (Накт) (см. эпюру на схеме) численно составит: Накт≈ 2/3 Нпр.

Это явление имеет большое значение, поскольку позволяет размещать инженерные сети в обезвоженном – не пучинистом слое (нижняя 1/3 Нпр.), без опасения их деформаций.

2.2.7. Осадка при оттаивании деятельного  слоя грунта

При промерзании грунт смерзается с поверхностями фундаментов, а затем при пучении деформирует их. Это часто приводит к перемещению фундаментов. В последствии, при оттаивании грунт теряет свои прочностные свойства, значительно увеличивается сжимаемость (возникают просадки). Возможен также выпор такого грунта из под подошвы фундамента (потеря устойчивости – не выполнение условий I предельного состояния). [7]

2.2.8. Образование наледей

На Севере часто можно было увидеть такую картину (см. схему 9), когда наледи внезапно возникали под эксплуатируемыми домами.

 

Схема 9. Наиболее вероятное образование наледи при сливающемся деятельном слое и высоком уровне грунтовых вод.

Объясняется это тем, что под домом глубина промерзания при сливающимся деятельном слое (Д.С.) значительно меньше (тепловое влияние здания), чем на открытой поверхности. Это приводит к образованию напорных вод (при высоком У.Г.В. и сливающимся деятельном слое), которые могут прорываться, и, вытекая через окна и двери, замерзая на поверхности, образовать наледь.

Особенно большой вред наледи, образующиеся в период промерзания деятельного слоя, приносят дорогам (см. схему 10).

Схема 10. Образование наледи на дорогах.

При промерзании деятельного слоя (сливающаяся мерзлота), грунт, прежде всего, промёрзнет под дорогой (влияние кюветов). Остальная часть деятельного слоя будет находиться в стадии промерзания. В результате возникает движение напорных вод по склону и возможен прорыв их на поверхность с образованием наледи.

Как бороться с этим явлением? 

Наиболее эффективно применение специальных мероприятий, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте (см. схему 11). Используется расчистка поверхностей от снега, снятие растительного слоя, и т.д. В результате под очищенным местом происходит быстрое промерзание и слияние деятельного слоя с многолетней мерзлотой. Данное мероприятие останавливает движение напорных вод в сторону дороги и если происходит образование наледи, то в данном месте она не оказывает негативное воздействие на эксплуатируемую дорогу.

Схема 11. Специальные мероприятий по предохранению автомобильных дорог от образования наледей.

2.2.9. Течение склона. Явление солифлюкции

Явление солифлюкции или течение склона в результате процессов промерзания и оттаивания, достаточно наглядно представлено на схеме 12.

Схема 12. Развитие явления солифлюкции в деятельном слое на склонах грунта.

Если взять на поверхности склона деятельного слоя точку А, то при промерзании в результате пучения она получит перемещение в точку В. Затем при оттаивании под действием сил гравитации точка В опустится и окажется в положении точки С.

Таким образом, в результате сезонного изменения температур точка А в конечном итоге переместится в точку С, т.е. возможно постепенное сползание склона.

Даже один и тот же склон может иметь участки поверхности с различным уклоном (см. схему 13). В этом случае более крутые участки склона будут иметь большую скорость (V1) сползания, по сравнению со скоростью (V2) на более пологих участках. В результате на участках с меньшей скоростью течения склона, частицы грунта будут постепенно скапливаться, вплоть до полной остановки (горизонтальный участок с V2 =0).

Схема 13. Развитие неравномерного процесса течения склона в деятельном слое грунта.

Таким образом, образуются своеобразные «волны рельефа склона», идущие вверх, в то время как солифлюкационный слой течёт вниз.

2.2.10. Изменение температуры в  верхних слоях вечномёрзлых грунтов

Ниже глубины Н0 - амплитуды нулевых температур вечномёрзлый грунт будет находиться при постоянной отрицательной температуре ≈-4° с. Такая постоянная температура обеспечена практически на глубине ≈15 м (глубина нулевых амплитуд).

Мёрзлый грунт представляет фактически твёрдое тело. Прочность (R) мёрзлого грунта практически линейно зависит от его температуры R =f (t°C) (см. схему 14). При изменении температуры верхних слоёв изменится и прочность, чем выше температура, тем меньше прочность.

Схема 14. График изменения прочности мёрзлого грунта в зависимости от отрицательной температуры.

2.2.11. Просадка при оттаивании  слоя вечномёрзлого грунта

Это явление у строителей является своего рода бичом. При оттаивании многолетнемерзлого грунта прочностные характеристики грунта резко падают, это явление необходимо учитывать при строительстве зданий в подобных местах.

В одном из посёлков северной экспедиции было замечено следующее явление. Прокладывали дорогу, но как только вездеход несколько раз проходил по одному месту на этом месте образовывался овраг!

В чем причина данной закономерности?

Вездеход при своём движении гусеницами срывал поверхностный слой мха. Грунт оголялся и начинал оттаивать под действием солнечных лучей (см. схему 15). Мох играл роль теплоизоляции, а поскольку в слое мерзлого грунта находился лёд, то при оттаивании это повлекло за собой просадку – лавинообразное развитие деформаций (см. график е = е(s)) под собственным весом (образование оврага).

Схема 15. Развитие процесса просадки оттаивающего основания с характерной компрессионной зависимостью

В лаборатории мерзлотоведения Игарской научно–исследовательской станции был поставлен такой своеобразный эксперимент (Далматов Б.Н.).

Помещение лаборатории выполнено непосредственно в мёрзлом грунте. Свет из одной лаборатории проникал через двухметровую толщу в другую лабораторию, создавая при этом некоторую освещенность. Свет проникал по прослойкам льда, отдельные включение которого составляли 20 см толщины (см. схему 16).

Схема 16. Пример проникновения лучей света по кристаллам льда через двух метровую толщу многолетней мерзлоты.

Нет сомнений, что при оттаивании такой грунт будет обладать просадочными свойствами. При проектировании зданий на подобных грунтах необходимо пользоваться «Указаниями по расчёту осадок оттаивающих и оттаявших грунтов во времени» (1967-1976 г. НИИ оснований и фундаментов).

2.2.12. Образование морозобойных  трещин в деятельном и вечномёрзлом  слоях грунта

При промерзании оголённых от снега поверхностей грунта (резкое понижение температуры) происходит его объемное уменьшение, сопровождающие часто образование клинообразных щелей (трещин). Глубины этих щелей – трещин достигают нескольких метров, а ширина раскрытия – 10…15 см (см. схему 17). Морозобойные трещины пересекают не только деятельный слой, но проникают и в многолетнюю мерзлоту. В трещины с течением времени проникает вода, которая затем превращается в лёд, а это способствует дальнейшему росту образовавшейся морозобойной трещины.

Схема 17. Развитие явлений образования морозобойных трещин в деятельном слое грунта.

Такие морозобойные трещины приводят к изменению глубины промерзания. Могут нанести ущерб дорожному полотну, зданиям, инженерным сетям.

ГЛАВА III

Многолетняя мерзлота и современный климат

На исходе XX века проблема изменений климата в сторону глобального потепления стала одной из центральных, волнующих мировую общественность. Повышение температуры воздуха большая часть ученых-климатологов связывает со все возрастающими промышленными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, метана, и других газов, вызывающих парниковый эффект. Еще недавно, всего несколько лет назад, ряд крупных климатологов прогнозировал повышение температуры воздуха на Севере в начале XXI века на 10-15 градусов Цельсия. Ученый-уфолог А.К.Прийма даже предсказывал, что при таком резком потеплении климата треть человечества может погибнуть от засух и катастроф.

Анализ метеорологических данных по ряду стран Северного полушария (Россия, Канада, США-Аляска, Китай) подтверждает, что в последние 25-30 лет действительно происходит потепление климата, хотя и более умеренное. Повышение температуры воздуха за этот период в большинстве регионов России составляет 1-1,2 градуса Цельсия. По данным Американского геофизического союза, за 1991-1997 годы глобальная температура воздуха повысилась на 0,62 градуса Цельсия. В последние 3-4 года потепление климата мог почувствовать каждый россиянин средней полосы нашей страны: здесь жаркие и сухие летние сезоны и мягкие зимы следовали друг за другом. Нашим современникам особенно запомнится лето 1999 года, сценарий которого развивался по М.Е.Салтыкову-Щедрину, точно как в городе Глупове во время правления градоначальника Фердыщенки, когда "с самого вешнего Николы, с той поры, как начала входить вода в межень, и вплоть до Ильина дня не выпало ни капли дождя... небо раскалилось... пахло гарью... травы и всходы огородных овощей поблекли..." [8]

Люди задались вопросом - почему это происходит и что будет дальше? Глуповцы видели причину возникшего несчастья в распутстве Фердыщенковой любовницы Аленки. К сожалению, в наши дни высокообразованные специалисты, владеющие арсеналом современных математических методов и быстродействующей компьютерной техникой, также пока не могут уверенно объяснить, что случилось с климатом Земли, будет ли он намного теплее в XXI веке по сравнению с XX, в чем причины глобальных климатических изменений? В наши дни заговорили о смещении полюсов и даже о натовских бомбардировках Югославии, мол, виноваты они. Потепление климата приводит, в свою очередь, к оттаиванию вечной мерзлоты и освобождению газов (особенно метана), захороненных в мерзлоте, и их дополнительному поступлению в атмосферу. Не случайно в газетных сообщениях последних лет появились предостерегающие заголовки: "Метановая бомба в вечной мерзлоте". Что это - реалии или фантазии? Многочисленные исследования по проблеме глобального потепления климата проводились и проводятся в рамках тематических планов институтов, государственных и международных программ.

Россиян проблема ожидаемых изменений климата интересует или должна интересовать особо: как никак более 60% ее огромной территории занято многолетней мерзлотой, которая зависит от климата, чутко реагирует на малейшие его изменения. [8]

Хозяйственное значение области многолетней мерзлоты, или криолитозоны, как ее называют мерзлотоведы, трудно переоценить. Это - стратегический тыл экономики России, ее топливно-энергетическая база и валютный цех. Северный край страны населен крайне скудно. На огромных просторах арктических холодных пустынь, тундры, лесотундры, тайги и горных степей, на равнинах, плоскогорьях и в горах на один квадратный километр приходится менее одного человека. В Ямало-Ненецком национальном округе этот показатель равен 0,6 чел. на кв. км, в Корякии и на Чукотке - 0,1-0,2, а в Эвенкии и на Таймыре и вовсе 0, 03-0,06. [8]

Тем не менее нельзя забывать, что в пределах криолитозоны России сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты. В настоящее время хорошо разработаны методы прогнозирования последствий строительства зданий и сооружений на вечной мерзлоте. Однако не только деятельность человека меняет мерзлотные условия. В гораздо больших масштабах оказывают влияние на мерзлые толщи труднопредсказуемые изменения климата. [8]