ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. Часть IV

Геотехнический мониторинг (далее мониторинг) на многолетнемерзлых грунтах – комплекс работ, основанный на натурных наблюдениях за состоянием грунтов основания (температурный режим), гидрогеологическим режимом, перемещением конструкций фундаментов вновь возводимого, реконструируемого и эксплуатируемого сооружения.

В районах распространения многолетнемерзлых грунтов мониторинг необходимо проводить для всех видов зданий и сооружений, в том числе подземных инженерных коммуникаций.

Мониторинг осуществляется в соответствии с проектом, который разрабатывается в процессе проектирования и является разделом утверждаемой части проектной документации.

При разработке проекта мониторинга определяются состав, объемы, периодичность, сроки и методы работ, схемы установки наблюдательных скважин, геодезических марок и реперов, датчиков и приборов, которые назначаются применительно к рассматриваемому объекту строительства (реконструкции) с учетом его специфики, включающей: результаты инженерных изысканий на площадке строительства, принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов, особенностей проектируемого или реконструируемого сооружения и сооружений окружающей застройки и т.п.

В проекте мониторинга следует учитывать факторы, оказывающие влияние на вновь возводимое (реконструируемое) сооружение, его основание, окружающий грунтовый массив и окружающую застройку в процессе строительства и эксплуатации, в т.ч. возможность проявления опасных геокриологических процессов (криогенное пучение, термокарст, оползневые процессы, оседание поверхности при оттаивании и др.), а также тепловые воздействия от строительных работ.

Для осуществления мониторинга в период строительства сооружений оборудуются контрольные термометрические и гидрогеологические скважины, на фундаментах сооружений устанавливаются постоянные геодезические марки, по которым выполняются измерения температуры грунта, уровень подземных вод, их состав и температура, нивелирование фундаментов, в том числе погруженных свай, измеряются отметки подкрановых путей мостовых кранов, водоотводных лотков в технических этажах и подпольях зданий, а также тротуаров у сооружений.

Места установки термометрических и гидрогеологических скважин, геодезических марок, периодичность проведения замеров установливаются по приложениям СНиП 2.02.04-88 (актуализированная редакция). Кроме того, контролируется плотность грунтов, уложенных в насыпях, при замене грунтов в выемках и при намыве территории. Термометрические скважины оборудуются в соответствии с ГОСТ 25358-82, гидрогеологические – СП 11-105-97 (Части I, IV), устройство нивелирных марок и геодезические измерения проводятся в соответствии с ГОСТ 24846-81.

В период эксплуатации сооружения мониторинг осуществляется в целях обеспечения проектного режима грунтов основания и состояние фундаментов сооружения. В состав мониторинга входят следующие виды работ:

— текущий и контрольный осмотр состояния технических этажей, подполий зданий и расположенных в них коммуникаций и других устройств;

— наблюдения за состоянием бетона фундаментов;

— наблюдения за температурой грунта в основании сооружений;

— наблюдения за температурой воздуха в подполье;

— наблюдения за осадками фундаментов;

— наблюдения за гидрогеологическим режимом основания.

Продолжительность мониторинга зависит от принципа строительства и составляет для сооружений, построенных по:

— I принципу – в течение всего периода эксплуатации сооружения;

— II принципу:

а) с использованием предварительного оттаивания грунтов – в течение 5 лет;

б) с допущением оттаивания в период эксплуатации – в течение 10 лет.

Продолжительность мониторинга может быть сокращена при стабилизации изменений контролируемых параметров, или увеличена при отсутствии стабилизации изменений контролируемых параметров.

В процессе мониторинга необходимо обеспечить своевременность информирования заинтересованных сторон о выявленных отклонениях контролируемых параметров (в т.ч. тенденции их изменений, превышающие ожидаемые) от проектных значений и результатов тепло- и геотехнического прогноза.

Экологические требования при проектировании и устройстве оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах

В проекте оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах должны быть предусмотрены мероприятия, обеспечивающие предотвращение, минимизацию или ликвидацию вредных и нежелательных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий.

Экологические требования, учитываемые при проектировании и строительстве, основываются на результатах инженерно-экологических изысканий, выполняемых в соответствии с СП II-102 и СП II-105, в которых даются оценка состояния окружающей среды и прогноз воздействия на нее объекта строительства.

Прогноз воздействия на природные условия осуществляется на весь период строительства и эксплуатации зданий и сооружений и должен устанавливать:
— возможность изменения теплового режима многолетнемерзлых грунтов района строительства и прилегающих территорий вследствие нарушений условий теплообмена в результате строительства и температурного воздействия в процессе эксплуатации;

— изменения гидрогеологических условий строительной площадки в результате производства земляных работ, включая пути разгрузки поверхностных и надмерзлотных вод по водоотводным каналам;

— степень активизации опасных геокриологических процессов, в том числе: осадки и пучение грунтов, термокарст, солифлюкция, эрозия, размыв грунта и др.;

— возможность возникновения склоновых процессов и заболачивания территории.

С учетом результатов инженерно-геологческих изысканий выбираются проектные решения и разрабатываются мероприятия по рекультивации и восстановлению почвенно-растительного слоя, засыпке выемок, траншей и карьеров, выполаживание и одернование склонов и откосов, а также по предупреждению эрозии, термокарста и процессов размыва грунта.

Основные мероприятия по охране окружающей среды при возведении оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах разрабатываются на стадии технико-экономического обоснования.

Проектная документация на устройство оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах на стадии «П» должна включать отдельный раздел «Охрана окружающей среды».

Приступать к производству работ по устройству оснований и фундаментов допускается только при наличии ПОС и проектов инженерной подготовки и защиты от опасных мерзлотных процессов и подтопления территории, конкретно отражающих все особенности мерзлотно-грунтовых условий площадки строительства. Проект организации строительства должен обязательно предусматривать точные сроки и особенности производства работ, а также меры по восстановлению поврежденных участков поверхности территории строительства.

Общие сведения о вечномерзлых грунтах для геотехнического мониторинга

Геологическая деятельность льда является объектом изучения специальных наук – гляциологии и геокриологии. Гляциология – это наука о физических свойствах ледников, их происхождении, развитии, геологической деятельности и влиянии на формирование земной поверхности. В геокриологии (мерзлотоведении) изучаются закономерности формирования и распространения многолетней мерзлоты и геологические процессы, происходящие в мерзлой зоне литосферы.

К мерзлой зоне литосферы принято относить области развития таких горных пород, для которых характерна нулевая или отрицательная температура и присутствие в них льда, заключенного в порах и трещинах.

Горные породы могут подчиняться климатическим переменам: сезонному замерзанию и оттаиванию, но могут быть и многолетнемерзлыми. Древность многолетнемерзлых пород подтверждается археологическими и палеонтологическими находками. Так, на Анадырском полуострове, около озера Чирового, в суглинках, залегающих в трещинах разрыва ледяного бугра, Н.Граве были обнаружены остатки стоянки древнего человека, жившего здесь в верхнем неолите, не менее 2000 лет назад.

Изотопными методам установлено, что хорошо сохранившиеся остатки мамонтов имеют возраст, исчисляемые многими тысячелетиями. Таймырский мамонт погиб 12 тыс. лет назад. Исходя из этих данных, многолетнемерзлыми горными породами называют такие породы, в которых отрицательные температуры сохраняются непрерывно в течение тысячелетий и десятков тысяч лет.

Многолетнемерзлые горные породы в России расположены главным образом в Сибири, где южная граница их распространения проходит к югу от Байкала. Северная граница примерно совпадает с северным полярным кругом. Вдоль южной границы многолетней мерзлоты отмечается островной характер ее распространения. Всего на земном шаре 23% территории суши покрыто «вечной» мерзлотой; наиболее крупными областями ее распространения также являются Канада (6 млн. км2), Гренландия (1,6 млн. км2), Аляска (1,5 млн. км2), Антарктида (12 980 000 км2).

Льды в пределах распространения многолетнемерзлых горных пород могут встречаться в виде льда-цемента, жильного, повторножильного, погребенного и пещерного льдов. Лед-цемент сковывает минеральные образования, скрепляя и цементируя их. Жильный лед заполняет трещины в горных породах.

Повторножильный лед проникает в горные породы по морозобойным трещинам глубже границы их сезонного промерзания. Он может расти не только по вертикали, но и по горизонтали и образовывать большие скопления. Установлено, что такие массивы льдов непрерывно образовывались в течение всего четвертичного периода. Собственно погребенные льды наблюдаются в зонах современных оледенений внутри отложенных морен и под ними.

Пещерные льды формируются в разнообразных полостях. Они могут встречаться и вне зоны распространения многомерзлых горных пород (например, в Кунгурской пещере). Такие льды представляют собой сплошные ледяные массы, либо натечные формы (столбы, драпри), либо отдельные кристаллы на стенах и потолке пещер.


Латеральное распространение мерзлоты


Различают сезонную и многолетнюю мерзлоту.

Сезонная мерзлота существует только зимой, многолетняя – сохраняется круглый год и на протяжении многих лет. Наиболее ярко и масштабно мерзлотные (криогенные) процессы проявляются в криолитозоне, т.е. в области распространения многолетнемерзлых пород. Многолетняя мерзлота особенно широко развита на севере Евразии и Северной Америки. В России ею занято около 2/3 всей территории – главным образом в Сибири и на Дальнем востоке. При освоении огромных природных ресурсов этих регионов требуется детальное изучение мерзлотных условий и процессов, поскольку они очень часто оказываются решающим фактором, серьезно затрудняющим все виды строительства.

В направлении с севера на юг в пределах криолитозоны Северного полушария по мере уменьшения площади и мощности мерзлоты выделяют три подзоны: сплошного, прерывистого и спорадического распространения многолетнемерзлых грунтов. В подзоне сплошного распространения мощность мерзлоты измеряется сотнями метров (обычно от 100 до 500 м), местами достигая 1 км и более. Суровые климатические условия в этой подзоне наиболее благоприятны для новообразования мерзлоты, однако и тут встречаются талики – участки отсутствия мерзлых толщ.

Талики развиты главным образом под реками и озерами, достаточно многоводными, чтобы отепляющее действие воды смогло препятствовать промерзанию.

В подзоне прерывистого распространения мощность мерзлоты обычно не превышает 100 м. Талики здесь занимают гораздо большую площадь, а новообразование мерзлоты носит ограниченный характер. Наконец, южную подзону спорадического распространения можно рассматривать как область преобладающей деградации мерзлоты.

Таким образом, будучи во многих районах не только современным образованием, но и реликтом ледниковых эпох, многолетняя мерзлота сохраняется по сей день благодаря резко континентальному климату с продолжительной холодной и малоснежной зимой.

 

Вертикальное распространения мерзлоты


В вертикальном разрезе криолитозоны выделяют три слоя (полярный покровный комплекс, по А.И.Попову, 1967). Верхний слой называется деятельным, это слой сезонного протаивания. Его мощность в целом увеличивается с севера на юг до трех-четырех метров и зависит от теплопроводности и водопроницаемости горных пород: песчаные грунты протаивают глубже глинистых, а те в свою очередь глубже, чем торф. В деятельном слое породы регулярно переходят из мерзлого в талое состояние и обратно, что находит выражение в криотурбации – перемешивании грунта, с которым связано образование специфических форм мерзлотного микрорельефа.

Деятельный слой подстилается мощными постоянно мерзлыми толщами. В верхней их части (второй слой) еще происходят сезонные колебания отрицательной температуры, которые сопровождаются механическими напряжениями и растрескиванием. Еще ниже, начиная с глубины примерно 10 м, отрицательная температура пород сохраняется постоянной на протяжении всего года – это третий наиболее мощный слой, своего рода фундамент криолитозоны.

Сезонномерзлые грунты, возникающие везде, где определенное время удерживаются отрицательные зимние температуры, по сути состоят из одного деятельного слоя. Однако протекающие в нем процессы (пучение, сортировка грунта, растрескивание и др.) не столь активны, как в деятельном слое криолитозоны, из-за отсутствия подстилающей многолетней мерзлоты, которая играет роль водоупора и влияет на распределение давления в грунте.
Развитие мерзлоты может протекать эпигенетически (промерзает уже сформировавшаяся ранее порода) и сингенетически (формирование грунта и его промерзание происходят одновременно). Первый путь типичен для возвышенностей, где преобладает денудация, и по мере сноса коры выветривания промерзание проникает в глубь толщи пород. Второй путь характерен для низменностей, где доминируют аккумулятивные процессы, например накопление аллювия в речных долинах.

Подземный лед как неотъемлемый компонент мерзлых грунтов может находиться в них в разных формах – от порового и капиллярного до крупных ледяных линз и жил. Обычно различают: лед-цемент – без скоплений рассеян между частицами рыхлой породы; сегрегационный лед – имеет вид ледяных прослоек, выделяющихся при замерзании тонкодисперсных (глинистых и пылеватых) грунтов; инъекционный лед – образуется при внедрении воды в трещинах и водоносных горизонтах; полигонально-жильный лед – формируется в результате замерзания в морозобойных трещинах попавшей в них с поверхности воды. Кроме того, подземный лед может быть погребенным – это бывший наземный лед, перекрытый минеральными осадками.


Мерзлотные (криогенные) процессы и формы рельефа


К основным мерзлотным процессам относятся: морозобойное растрескивание, морозная сортировка рыхлого материала, пучение и образование наледей, морозное выветривание, криогенный крип, солифлюкция, термокарст. Большинство мерзлотных форм рельефа имеет комплексное происхождение, т.е. в их образовании принимали участие разные криогенные процессы. Криогенез протекает главным образом в двух верхних элементах полярного покровного комплекса, причем наибольшая активность связана с деятельным слоем. Поэтому по размерам мерзлотные формы обычно невелики и относятся к микро- или мезорельефу. Они располагаются на поверхности более крупных форм, которые имеют тектоническое, эрозионное или другое происхождение.

На характер криогенного рельефообразования оказывают влияние многочисленные факторы: климат, эпигенетическое или сингенетическое промерзание, мощность и льдистость мерзлых пород, механический состав грунтов деятельного слоя, экспозиция и наклон склонов и т.д. Это приводит к тому, что мерзлотные формы одного типа, но из разных районов порой существенно отличаются друг от друга.


Морозобойное растрескивание


Происходит при сильном и быстром охлаждении грунта, обычно в ясные зимние ночи. Глубина проникновения трещин достигает 3-5 м и более. Сеть морозобойных трещин, как правило, имеет упорядоченные очертания, образуя рисунок полигонов (четырех-, пяти- или шестиугольники). Наиболее крупные полигоны наблюдаются в пределах низменных приморских равнин, где более высокая влажность воздуха смягчает суточные температурные контрасты. Напротив, наиболее густая сеть трещин возникает в резко континентальных условиях.

В теплое время года морозобойные трещины заполняются водой и разжиженным грунтом. Осенью вода замерзает, образуя жилы, которые неоднократно нарастают и значительно расширяют трещины – до первых метров у поверхности.

Если в данной местности климат становится теплее и полигонально-жильные льды вытаивают, то расширенные ими трещины заполняются минеральным грунтом – так возникают грунтовые жилы. Такие грунтовые жилы в погребенном состоянии в большинстве случаев служат важным палеогеографическим свидетельством существования здесь мерзлоты в прошлом.


Морозная сортировка


Эта сортировка часто дополняет морозобойное растрескивание. Она неоднородна по механическому составу грунтов деятельного слоя. Результатом их совместной работы становятся каменные полигоны или, реже, каменные кольца. Процессы морозобойной сортировки происходят следующим образом. Мелкозернистые (песчано-глинистые) участки грунта, обладая большой влагоемкостью, при замерзании значительно увеличиваются в объеме. При этом они выталкивают более крупные обломки (щебень, гальку, валуны) к поверхности и по направлению к морозобойным трещинам. Многократное повторение замерзания-оттаивания постепенно приводит к отчетливо выраженной дифференциации грунта, которая обычно наблюдается лишь в верхней части деятельного слоя (до 0,5 – 0,8 м) и постепенно затухает с глубиной.

Если грунты деятельного слоя не содержат крупных обломков, механизм морозной сортировки приводит к образованию широко распространенной пятнистой (или медальонной) тундры. Пятна-медальоны располагаются внутри трещинных полигонов и имеют округлую или овальную форму, их поверхность глинистая и лишена растительности.


Пучение и образование наледей


Процессы криогенного пучения в большей степени связаны с замерзанием свободной воды. Различают сезонные и многолетние бугры пучения. Сезонные бугры пучения возникают при зимнем промерзании деятельного слоя: грунтовая вода в нижней его части оказывается под давлением (снизу находится мощная многолетняя мерзлота) и вспучивает над собой верхний промерзший слой. В случае большого давления может произойти взрыв и излияние воды на поверхность с образованием грунтовой наледи. Сезонные грунты пучения невелики по размерам (высота обычно не более 0,5 м при поперечнике 2-3 м); в теплое время года ледяное ядро таких бугров вытаивает, и они разрушаются.

У многолетних торфяных бугров мерзлое ядро летом сохраняется благодаря низкой теплопроводности торфа; год от года они могут нарастать и достигают высоты в несколько метров. Менее крупные (обычно не более 1 м) многолетние бугры пучения развиваются в глинистых и суглинистых грунтах, обладающих лучшей теплопроводностью. Они получили название «бугров-могильников». Летом мерзлота в них вытаивает, но насыщенный водой глинистый грунт набухает и удерживает форму небольшого холма.

 

 Наиболее крупные многолетние бугры пучения образуются в пределах низменных заболоченных участков. Их высота может достигать десятков метров при поперечнике в первые сотни метров. Под торфяной оболочкой у таких бугров залегает ледяное ядро, с возникновением и ростом которого и связано вспучивание поверхности. Эти крупнейшие многолетние формы пучения называют гидролакколитами. Часто используются также названия: якутское булгунях и эскимосское пинго.

В отличие от форм пучения наледи образуются в результате излияния воды на поверхность и ее замерзания там (а не в толще грунта) в виде более или менее обширного ледяного тела.


Морозное выветривание


На плоских вершинах гор в лишенной растительности зоне, а также на междуречьях плато и плоскогорий в результате активного физического (температурного и морозного) выветривания развиваются щебнисто-глыбовые каменные моря.


Солифлюкция


Солифлюкцией называется течение переувлажненного грунта во время сезонного его оттаивания. Такой грунт даже на небольших уклонах местности, достигающих иногда всего лишь доли градуса, может растекаться.

Сезонные промерзания и оттаивания почв протекают и вне зоны многолетней мерзлоты, приводя к тем же явлениям в условиях обводненности и при некотором уклоне поверхности. В горных районах в результате солифлюкционных процессов образуются натечные террасы, курумы и каменные потоки, структурные почвы и нагорные террасы.

Натечные терраса (оплывины) имеют форму небольшого языка, площадью от нескольких метров до сотен метров, с крутым обрывом внизу. При сползании слоев пласты сминаются и часто разрываются.

Курумы и каменные потоки (каменные реки, каменные моря) представляют скопления остроугольных глыб, имеющих различные размеры. Движение их осуществляется вниз по склону за счет скольжения глыб по увлажненной и промерзшей щебневой подстилке. Подобные формы рельефа также встречаются вне зоны многолетней мерзлоты. Они могут указывать на происшедшие изменения климата.

Нагорные террасы образуются в высокогорных областях на склонах гор. Они возникают на различных уровнях одиночных гор, и это отличает их от речных, озерных и морских террас. Внешне такие террасы представляют относительно ровные поверхности, ограниченные уступами. По С.В.Обручеву, они образуются в результате солифлюкционных процессов. По С.Г.Бочу и И.И.Краснову, нагорные террасы возникают вследствие снежно-морозного выветривания вдоль края снежника.


Ниши протаивания (термокарст)


Термокарст – явление образования карстовых воронок в результате оттаивания деятельного слоя, многолетней мерзлоты и просадки грунта. В большинстве случаев этому способствует местные пожары.

Этот процесс образуется в результате оттаивания подземных льдов, которое может быть связано с потеплением климата, ведущим к деградации многолетней мерзлоты, или с местными причинами, такими, как отепляющее воздействие водоемов, крупные пожары, хозяйственная деятельность человека и т.д. Термокарстовые формы рельефа имеют просадочное происхождение: земная поверхность проседает над образовавшимися подземными полостями.

Морфологическое проявление термокарста зависит от общей льдистости мерзлых толщ и формы залегания подземных льдов. Кроме того, термокарстовый рельеф в большинстве случаев осложняется сопутствующими процессами: солифлюкцией, эрозией. В зависимости от облика и размера различают термокарстовые блюдца, воронки, провалы, ложбины, озерные ванны, котловины и другие полые формы.

Впоследствии такой термокарст часто заполняется водой, образуя термокарстовые озёра, характерные для тундровой зоны.

 

Схема развития термокарстовых озёр в тундровой части Севера

Округлые озёра – это залитые водой термокарстовые котловины. Такие котловины и ложбины возникают при вытаивании подземного льда и проседании поверхности. Происходит это в том случав, если грунт содержит много льда. Такому условию отвечают рыхлые породы, залегающие на равнинах или в котловинах, где в тёплом климате скапливалась бы вода.

Причин появления термокарстовых понижений немало: потепление климата, сведение растительности, нарушения верхних слоев грунта транспортом и при выпасе оленей. Они формируются и при обычном летнем протаивании грунтов. Достаточно образоваться небольшому водоёму, как его вода начинает передавать своё тепло промёрзшим породам, вытаивание подземного льда усиливается, озеро растёт, пока вода не уйдёт или на дне накопится достаточно мощный слой озёрных осадков, изолирующий лёд от воды.

Выход вечной мерзлоты на берегах ре Якутии

Осушенные термокарстовые котловины – аласы – покрыты луговой растительностью и являются лучшими пастбищами в тундре. Термоэрозия и термоавразия. В районах с вечной мерзлотой быстрому росту рытвин, ложбин, оврагов способствует текущая вода. Она воздействует на поверхность как механически – отрывая и унося частицы грунта, так и термически – растапливая мерзлоту (термоэрозия). Легко разрушаются сложенные мерзлотой морские берега. Благодаря этому явлению – термоабразии – отступают берега многих арктических морей, исчезают небольшие острова.

Эрозия в криолитозоне обычно имеет значительную термическую составляющую (отсюда термин термоэрозия). За счет теплового воздействия текучей воды на мерзлое дно и берега эрозионные рытвины и овраги часто растут очень быстро. Закладываются эрозионные формы по трещинам полигональных грунтов и вдоль термокарстовых углублений. После вытаивания ледяных клиньев образовавшиеся рвы быстро расширяются водой, превращаясь в овраги, тогда как центральные части полигонов сохраняются в виде небольших холмов высотой в несколько метров. Такие холмы известны под якутским названием байджарахи.

 

Байджарахи

Таким образом, отмеченные температурно-деформационные явления в деятельном и многолетнемёрзлом слоях грунта в большой степени зависят от изменения внешних факторов, вносимых человеком при освоении данной территории.


Многолетняя мерзлота на территории России и современное оледенение


Современные ледники занимают на территории России небольшую площадь, всего около 60 тыс. км2, однако в них заключены большие запасы пресной воды. Они являются одним из источников питания рек, значение которого особенно велико в годовом стоке рек Кавказа.

Основная площадь современного оледенения (более 56 тыс. км2) находится на арктических островах, что объясняется их положением в высоких широтах, обусловливающим формирование холодного климата.

Нижняя граница нивальной зоны опускается здесь почти до уровня моря. Оледенение сосредоточено в основном в западных и центральных районах, где выпадает больше атмосферных осадков. Для островов характерно покровное и горно-покровное (сетчатое) оледенение, представленное ледниковыми щитами и куполами с выводными ледниками. Самый обширный ледниковый покров расположен на Северном острове Новой Земли. Длина его по водоразделу составляет 413 км, а наибольшая ширина достигает 95 км.

При движении к востоку все бoльшая часть островов остается свободной ото льда. Так, острова архипелага Земли Франца-Иосифа почти сплошь покрыты ледниками, на Новосибирских островах оледенение характерно лишь для самой северной группы островов Де-Лонга, а на острове Врангеля покровного оледенения нет — здесь встречаются лишь снежинки и небольшие леднички.

Толщина ледниковых покровов арктических островов достигает 100-300 м, а запас воды в них приближается к 15 тыс. км2, что почти в четыре раза больше годового стока всех рек России.

Оледенение горных областей России и по площади, и по объему льда значительно уступает покровному оледенению арктических островов. Горное оледенение характерно для наиболее высоких гор страны — Кавказа, Алтая, Камчатки, гор Северо-Востока, но встречается и в невысоких горных массивах северной части территории, где снеговая граница лежит низко (Хибины, северная часть Урала, горы Бырранга, Путорана, Хараулахские горы), а также в районе Маточкина Шара на Северном и Южном островах Новой Земли.

Многие горные ледники лежат ниже климатической снеговой границы, или «уровня 365», на котором снег сохраняется на горизонтальной подстилающей поверхности в течение всех 365 дней в году. Существование ледников ниже климатической снеговой границы становится возможным за счет концентрации больших масс снега в отрицательных формах рельефа (часто в глубоких древних карах) подветренных склонов в результате метелевого переноса и схода лавин.

Площадь горного оледенения России немногим превышает 3,5 тыс. км2. Наиболее широко распространены каровые, карово-долинные и долинные ледники. Большая часть ледников и площади оледенения приурочена к склонам северных румбов, что обусловлено не столько условиями снегонакопления, но и большей затененностью от солнечных лучей (инсоляционными условиями). По площади оледенения среди гор России первое место занимает Кавказ (994 км2). За ним следует Алтай (910 км2) и Камчатка (874 км2). Менее значительное оледенение характерно для Корякского нагорья, хребтов Сунтар-Хаята и Черского. Оледенение других горных районов невелико. Самыми крупными ледниками России являются ледник Богдановича (площадь 37,8 км2, протяженность 17,1 км) в Ключевской группе вулканов Камчатки и ледник Безенги (площадь 36,2 км2, протяженность 17,6 км) в бассейне Терека на Кавказе.

Ледники чутко реагируют на колебания климата. В XVIII — начале XIX вв. начался период общего сокращения ледников, который продолжается и поныне.

Внутренние воды России представлены не только скоплениями жидкой воды, но и воды в твердом состоянии, образующей современное покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин «вечная мерзлота»).

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.

 

Криолитозона (от греч. kryos — холод, мороз, лёд, lithos — камень и zone — пояс * a. cryolitic zone, cryolithozone; н. Frostboden; ф. zone de cryolithe; и. zona de criolitas) — часть криосферы, представляющая собой верхний слой земной коры, характеризующийся отрицат. температурой почв и горн. пород и наличием или возможностью существования подземных льдов.

Термин предложен П. Ф. Швецовым в 1955. K. включает в себя Мерзлые породы, Морозные породы и охлаждённые породы. Охлаждённые породы засолены или насыщены солёными водами и рассолами c температурами ниже 0°C (Криогалинными водами).         
Пo времени существования выделяют криолитозону многолетнюю (от нескольких лет до тысячи лет) и сезонную (области сезонного промерзания пород). Многолетняя криолитозона подразделяется на субаэральную суши, субгляциальную под ледниками и субмаринную под акваторией морей и океанов.

Субаэральная криолитозона приблизительно совпадает по площади c областью вечной мерзлоты, в к-рой развиты многолетнемёрзлые породы (ММП), занимающие 25% суши и распространённые почти на 1/2 терр. CCCP. Это составляет ок. 10-10,7 млн. км2.

Распространение c поверхности ММП, распределение среднегодовых температуp пород y подошвы слоя их годовых колебаний подчиняются геокриологич. зональности и высотной поясности. Вблизи юж. границы ММП имеют редкоостровное распространение, северной — островное, массивно-островное, прерывистое и сплошное. При этом ММП занимают площади до 10% при мощности мёрзлой толщи (MMT) до 10-15 м; от 10 до 30% (при MMT до 25-30 м); от 30 до 80% (при MMT до 50 м); от 80 до 95% (при MMT до 150 м) и более 95% (мощность криолитозоны до 1500 м и более). C Ю. на C. (a в горах c высотой уменьшается площадь распространения) понижаются cpедней температуры мёрзлых пород, уменьшается глубина сезонного промерзания на таликах, изменяется характер криогенных процессов и явлений.

Субаэральная криолитозона подразделяется на 2 геокриологич. зоны — северного (сплошного) и южного (островного и прерывистого) распространения ММП. B пределах сев. геокриологич. зоны криолитозона имеет большую мощность (до 1500 м), преим. плейстоценовый возраст и непрерывное по вертикали строение. Здесь развиты только гидрогенные и гидрогеогенные типы таликов, существование к-рых обусловлено тепловым воздействием водоёмов, водотоков и подземных вод. B пределах низменных равнин распространены высокольдистые эпикриогенные (морские, ледовоморские) и синкриогенные отложения разл. генезиса c сингенетич. повторно-жильными льдами (в т.ч. ледовый комплекс).

Для юж. геокриологич. зоны характерны преим. ММП верхнеголоценового возраста, мощность которых на равнинах возрастает c Ю. на C. от 3-5 до 100 м и более. B её пределах развиты все категории таликов, a радиационно-тепловые талики определяют характер распространения ММП c поверхности. B юж. зоне происходит периодич. разобщение верх. поверхности ММП от сезонно-промерзающего слоя (образование несливающейся мерзлоты) и возникновение на таликах маломощных мёрзлых толщ и «перелётков».

Ha C. Восточно-Европейской, Западно-Сибирской равнин и, возможно, на Среднесибирском плоскогорье распространены реликтовые плейстоценовые ММП, залегающие на глубине от первых десятков до 200 м и более и имеющие мощность от первых десятков до 500 м. Там, где над ними существуют верхнеголоценовые ММП, имеет место двуслойная мерзлота. B горах Юж. Сибири, в высокогорье Алтая, Cp. Азии и др. наличие криолитозоны обусловлено высотной поясностью. Ha Алтае острова ММП начинаются на выс. 2000-3000, на Тянь-Шане -2000-2500, на Кавказе — ок. 2500 м. C высотой увеличивается сплошность ММП, cp. температуpa понижается до -15°C и ниже, a мощность их на некоторых хребтах возрастает до 2000 м и более. Ha выс. более 5 тыс. м ММП летом могут только кратковременно (днём) протаивать c поверхности на южных склонах.  B вертикальном разрезе криолитозона состоит из одного или неск. ярусов мёрзлых, морозных и охлаждённых пород

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.


Распространение многолетней мерзлоты по территории России

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.

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.


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.

Сплошная мерзлота

Данный вид мерзлоты встречается на крайнем севере России. Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями, представлена в схеме:

 Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями

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

произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

 

Схема существования слоистой мерзлоты с основными принятыми обозначениями


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

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. Впоследствии 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.

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).

 

 Схема 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.

Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме 4. 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 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 5). 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 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 6) изменения температуры грунта по глубине (z)

Схема 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.

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.

Схема несливающегося деятельного слоя грунта и возможность прокладки инженерных коммуникаций в этих условиях

Наличие прослоя талого грунта при не сливающемся деятельном слое, важно с точки зрения возможности прокладки в этом слое инженерных коммуникаций. Инженерные сети, проложенные в талом слое грунта, не будут испытывать деформаций, связанных с промерзанием и оттаиванием и потому экономически выгодны.

В процессе промерзания и оттаивания могут происходить деформации грунта, которые достигают 20…30% и более. 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.

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.

Схема сливающегося деятельного слоя 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.

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).

Образование наледей

На Севере часто можно было увидеть такую картину, когда наледи внезапно возникали под эксплуатируемыми домами.

Схема наиболее вероятного образования 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.

 

Схема образования наледи на дорогах

Схема специальных мероприятий по предохранению автомобильных дорог от образования наледей


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.

Наиболее эффективно применение специальных мероприятий, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте. 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.

Течение склона. Явление солифлюкции

Явление солифлюкции или течение склона в результате процессов промерзания и оттаивания.

Солифлю́кция (лат. solum — почва и fluctio — истечение) — стекание грунта, перенасыщенного водой, по мёрзлой поверхности сцементированного льдом основания склонов. Солифлюкция наблюдается в разных природных зонах. Явление широко распространено в зонах с многолетнемёрзлыми или глубоко и длительно промерзающими грунтами (тундра, лесотундра, Средняя и Восточная Сибирь, Канада, высокогорья). Мелкоземистый почвогрунтовой покров насыщается влагой от тающего снега или дождей, утяжеляется, становится вязкопластичным и начинает двигаться уже при уклонах в 2-3° по еще не оттаявшей скользкой поверхности мерзлого подстилающего слоя, убыстряясь при увеличении уклонов от нескольких сантиметров до метра в год. При этом на склонах возникают фестончатые наплывы, невысокие гряды и целые солифлюкционные террасы даже на склонах с древостоем (преимущественно с лиственничным), образующим пьяный лес.

Схема развития явления солифлюкции в деятельном слое на склонах грунта

 Выделяется два типа криогенных оползней:

1. криогенные оползни скольжения — смещение протаявших пород сезонно-талого слоя (СТС) по границе раздела мёрзлое-талое;

2. криогенные оползни течения (быстрая солифлюкция) — процесс разжижения пород сезонно-талого слоя (СТС) и их вязкого/вязкопластического течения по поверхности многолетних мерзлых пород (ММП).

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. 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).

Мерзлотно-морфолигические образования: а –нагорные террасы; б – курум; в – каменная река; г – солифлюкционные (натечные) террасы; д – солифлюкционный вал; е – ячеистые формы структурных грунтов; ж – трещинные морозные полигоны; з – полигональные грунты

Схема развития 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.

Крутые склоны плато Кваркуш (Красновишерский район Пермского края) и чередование сезонов замерзания — оттаивания провоцируют формирование каменных осыпей (курумов) и плоскостное течение грунта (солифлюкцию) Обнажение ископаемого подземного льда на арктическом побережье Якутии

 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). При изменении температуры верхних слоёв изменится и прочность, чем выше температура, тем меньше прочность.

 

График изменения прочности мёрзлого грунта в зависимости от отрицательной температуры

 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. Вездеход при своём движении гусеницами срывал поверхностный слой мха. Грунт оголялся и начинал оттаивать под действием солнечных лучей. 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 развития 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.

 

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).

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. 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 развития явлений образования морозобойных трещин в деятельном слое грунта


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

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.

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». Многочисленные исследования по проблеме глобального потепления климата проводились и проводятся в рамках тематических планов институтов, государственных и международных программ.

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.

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.

Прогрессивное оттаивание мерзлых пород может обернуться катастрофическими последствиями. Дело в том, что верхние горизонты вечномерзлых пород мощностью от 2-5 до 30-50 м и более содержат лед в виде мелких линзочек и жилок, а также крупных залежей в виде клиновидной решетки (полигональной в плане) или пластовых залежей мощностью до 30-40 м. На некоторых участках северных равнин лед составляет до 90% объема мерзлых пород.

Крупные ледяные жилы в вечномерзлых породах.Хребет Кулар, Северная Якутия

Оттаивание льдонасыщенных пород будет сопровождаться просадками земной поверхности и развитием опасных мерзлотных (криогенных) геологических процессов: термокарста, термоэрозии, солифлюкции и др. Целые регионы с низкими абсолютными отметками поверхности окажутся затопленными морем. Возникнет угроза разрушения зданий и инженерных сооружений, возведенных с сохранением мерзлого основания. Такие последствия потепления климата станут разорительными для экономики.

Мерзлотоведы в состоянии количественно оценить грядущие изменения вечной мерзлоты на любой срок времени и предотвратить многие вредные их последствия, свести к минимуму затраты на стабилизацию мерзлотной обстановки, но только в том случае, если достоверно известны исходные климатические параметры. Загвоздка в том, что климатические прогнозы еще далеки от совершенства, что объясняется сложной природой изменений погоды и климата. Климат постоянно претерпевает естественные изменения. В 1625 г. сэр Фрэнсис Бэкон обратил внимание на то, что кроме суточных и сезонных изменений метеорологических элементов имеются еще многочисленные многолетние циклы их изменения.

В 1957 г. Дж.К.Чарлсуэрт уже насчитывал около 150 циклов колебаний климата различной продолжительности. А.С.Монин и Ю.А.Шишков выделяют миллиардолетние циклы, циклы продолжительностью в сотни и десятки миллионов лет и более мелкие (в историко-геологическом понимании) колебания с периодом от десятков тысяч до десятков лет. Хорошо известны короткопериодные колебания метеорологических элементов: 9-14-летние, 5-6-летние и др. Все разнопериодные циклы изменения климата и погоды накладываются друг на друга и создают сложный интегральный ход изменения метеорологических элементов. В последние два-три десятилетия на естественные климатические циклы все заметнее стали накладываться направленные изменения, связанные с техногенезом.

К сожалению, достоверность и оправдываемость долгосрочных метеорологических прогнозов пока оставляют желать много лучшего. В итоге результаты прогнозов климата получаются разноречивыми, что, в свою очередь, вызывает неоднозначность в мерзлотных прогнозах. Различаются сценарии значительного потепления климата области вечной мерзлоты в XXI веке (М.И.Будыко, О.А.Анисимов, М.К.Гаврилова, Ф.Э.Нельсон) и умеренного потепления (Е.П.Борисенков, А.В.Павлов), имеется даже сценарий похолодания (Н.А.Шполянская). Сценарии значительного потепления климата распространяются на территорию вечной мерзлоты лишь с учетом самых общих ее свойств. По М.К.Гавриловой, к середине грядущего столетия среднегодовая температура воздуха в Сибири и на Дальнем Востоке повысится на 4-10 градусов Цельсия, вследствие чего вечная мерзлота будет оттаивать и со временем сохранится только в высоких горах и на равнинах севера Восточной Сибири и Дальнего Востока. О.А.Анисимов и Ф.Э.Нельсон считают, что увеличение глобальной температуры воздуха на 2 градуса Цельсия приведет к полному оттаиванию мерзлых пород на 15-20 % территории криолитозоны. Метеорологические данные за последние 10-15 лет показывают, что экстремальные сценарии изменения климата не оправдываются, потепление идет, но более скромными темпами.

При обосновании сценариев умеренного потепления климата, помимо данных метеостанций, используются также результаты наблюдений на геокриологических (мерзлотных) стационарах, где одновременно с метеорологическими измерениями исследуются тепловой режим грунтов, сезонное промерзание — протаивание и мерзлотные процессы (А.В.Павлов). Такое сочетание повышает достоверность мерзлотно-климатических прогнозов. Остановимся на этой проблеме подробнее.

До недавнего времени сеть метеостанций на севере России была достаточно разветветвленной; продолжительность метеорологических измерений в нашей стране достигает 180 лет. Кроме того, к началу 1990 г. здесь существовало около 25 геокриологических стационаров — опорных пунктов мониторинга криолитозоны.

При изучении многолетних колебаний современного климата необходимо осреднять метеорологические данные за ряд соседних лет, чтобы исключить случайные вариации. Наиболее часто выбирают период осреднения в 10 лет.

Можно выделить два периода с отчетливо выраженным повышением температуры воздуха на Севере: с конца XIX века по 1940-е годы XX века (этот период называется «потеплением Арктики») и с середины-конца 1960-х годов до настоящего времени. Последнее (современное) потепление пока не достигает размеров «потепления Арктики». Более того, в начале 1990-х годов на ряде арктических метеостанций наблюдалось заметное похолодание. Однако последующие годы оказались достаточно теплыми, что явилось причиной сохранения общей тенденции потепления климата в наши дни.


Отклонение средних скользящих 10-летних значений среднегодовой (1), среднелетней (2) и среднезимней (3) температур воздуха от нормы в Салехарде (север Западной Сибири)

Темп повышений среднегодовой температуры воздуха за последние 25-30 лет составляет 0,02-0,03 градуса Цельсия в год в условиях Европейского Севера, 0,03-0,07 — на севере Западной Сибири и 0,01-0,08 градуса Цельсия в год — в Якутии. Само повышение температуры воздуха за этот период изменяется от 0,4 до 1,8 градуса Цельсия. Потепление климата обусловлено главным образом повышением зимней температуры воздуха.

Если тенденция к климатическому потеплению сохранится в первой половине XXI века, можно ожидать повышение среднегодовой температуры воздуха к 2020 году на 0,9-1,5 градуса Цельсия и к 2050 году на 2,5-3 градуса Цельсия. Атмосферные осадки к этим же годам возрастут на 5 и 10-15 %, соответственно.

Анализ данных мониторинговых наблюдений и геотермических исследований свидетельствует о широко распространенной деградации верхних горизонтов криолитозоны (повышение температуры вечномерзлых пород, уменьшение их площади, возрастание глубины сезонного протаивания) за последние 15-25 лет.

В качестве наглядного примера происходящих термических изменений в криолитозоне используем данные наблюдений стационара Марре-Сале (Западный Ямал), расположенного на участке одноименной метеостанции. Здесь почти на всех экспериментальных площадках зафиксировано повышение температуры мерзлых пород на глубине 10 м за 1979-1998 годы.

Изменение температуры вечномерзлых пород на глубине 10 м на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал)

Изменение глубины сезонного протаивания пород на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал) за 1978-1998 гг.



Оно изменялось от 0,1 до 1 градуса Цельсия. Только в полосе поверхностного стока воды (площадка 34) многолетние изменения температуры пород практически не отмечались.

По результатам геотермических исследований обнаружено, что современное потепление пород достигает глубин в десятки метров. Рассмотрение материалов наблюдений того же стационара Марре- Сале показывает, что несмотря на большие междугодовые вариации глубины сезонного протаивания, в целом обнаруживается слабая тенденция к ее возрастанию за 1978-1998 годы. Прогнозируемая глубина сезонного протаивания на 2020 год возрастет на Севере всего на 15-20 см в песках, а в супесях, глинах и торфах еще меньше. Прогнозируемые региональные повышения температуры поверхности пород не превысят 1,4 градуса Цельсия на 2020 (2025) и 2,3 градуса Цельсия на 2050 год.

Вероятные изменения вечной мерзлоты в России при потеплении климата к 2020 и 2050 гг.

На рисунке показана эволюция вечной мерзлоты в России в том случае, если оправдаются приведенные выше прогнозные оценки потепления климата на Севере в XXI веке. Выделены 4 зоны, отличающиеся разной степенью и неодинаковыми сроками начала повсеместного глубокого оттаивания вечномерзлых пород сверху.

За начало глубокого оттаивания мерзлых пород принят момент, когда слой грунтов, оттаявший за лето, зимой промерзнет не полностью и кровля вечномерзлых пород начнет прогрессивно понижаться. Временной интервал, за который вечномерзлые породы оттают полностью, зависит не только от потепления климата, но также от состава и льдистости пород, их температуры и мощности, от теплопритока снизу (из земных недр).

Таяние может продолжаться годами, десятилетиями, сотнями и тысячами лет.

При составлении карты-схемы (см. рис. 3) учитывалось, что на одинаковые изменения глобального климата вечная мерзлота в разных ландшафтных условиях будет реагировать по-разному. Наибольший вклад в разнообразие реакции мерзлоты на атмосферные воздействия вносит рельеф земной поверхности. На карте показаны три категории рельефа: равнины, плоскогорья и горы.

Первая с юга зона — это территории, на которых вечная мерзлота к 2020 году будет оттаивать сверху повсеместно, где она развита. Эта зона сформируется только в пределах Западно-Сибирской низменности, на южном пределе современной криолитозоны. Здесь в настоящее время встречаются редкие острова-линзы вечномерзлых пород с температурой выше -0,5 градуса Цельсия, приуроченные к торфяникам. После их оттаивания южная граница криолитозоны отступит к северу на 300 км и более, таяние вспученных льдом торфяников будет сопровождаться интенсивными просадками их поверхности, но серьезных изменений в природную обстановку и деятельность человека это не внесет: вечномерзлые торфяники встречаются редко и в хозяйственную деятельность практически не вовлечены.

Вторая зона — территории, где вечномерзлые породы будут повсеместно таять к 2050 году. На севере европейской части России криолитозона к этому времени отступит в северном или северо-восточном направлении на 50-100 км, в Западной Сибири — на 100- 250 км, на юге Среднесибирского плоскогорья — на 600 км. В горах изменения криолитозоны будут минимальными: острова вечномерзлых пород будут оттаивать повсеместно только на Енисейском кряже и в небольшой части гор Южной Сибири и юго-восточного Забайкалья. Как и в предыдущей зоне, последствия оттаивания мерзлых пород окажутся незначительными: исчезнут острова и небольшие массивы мерзлых пород в самых неудобных для человека урочищах — торфяниках, на сильно замшелых участках тайги, на затененных днищах узких, глубоких долин, на склонах северной экспозиции. Современная температура этих пород не ниже -1 градуса Цельсия.

Третья зона объединяет территории, где к 2050 году глубокое оттаивание вечномерзлых пород начнется не повсеместно. Современная температура вечномерзлых пород здесь меняется в основном в пределах от -1 до -5 градусов Цельсия. Оттаивать будут только малольдистые породы с температурами не ниже -1…-1,5 градуса Цельсия. Это преимущественно пески и скальные породы. Ширина зоны частичного оттаивания вечномерзлых пород на севере европейской части России достигнет 30-100 км, на севере Западной Сибири — 40-200 км, в Восточной Сибири — 240-820 км.

Зона включает в себя также часть низких гор Южной Сибири, Забайкалья, юга Дальнего Востока и Камчатки до 60-62 градусов северной широты.

В четвертую зону, зону относительно стабильных вечномерзлых пород, входит северная часть криолитозоны с самыми низкими температурами пород — от -3 до -16 градусов Цельсия. Мощность их измеряется сотнями метров. При прогнозных масштабах потепления климата глубокое протаивание мерзлых пород на этой территории исключается. Незначительно увеличится лишь площадь таликов.

Таким образом, на основе вышеприведенных данных можно сделать вывод об изменениях криолитозоны России к середине XXI века. Через 50 лет температура поверхности грунтов повысится на 0,9-2,3 С0, а глубина сезонного протаивания увеличится на 15-33%. В результате этого южная граница криолитозоны на равнинах и плоскогорьях отступит к северу и северо-востоку на 50-600 км. Если к зонам полного оттаивания вечномерзлых пород добавить зону частичного их таяния, то в целом образуется полоса деградации вечной мерзлоты, ширина которой на севере европейской части России достигнет 50-200 км, в Западной Сибири — 800 км и в Восточной Сибири — 1500 км. Сильно сократятся, но полностью не исчезнут острова и массивы вечномерзлых пород в горах Забайкалья, юга Дальнего Востока и на Камчатке.

Негативные последствия климатического потепления будут отмечаться на всей территории криолитозоны: усиление деградации мерзлых толщ как по вертикали, так и в плане; нарушение функционирования природно-технических систем, при проектировании которых не была учтена возможность глобального потепления климата и деградации мерзлоты. На территории, где вечномерзлые породы относительно стабильны (третья и четвертая зоны на рис.3) из-за высокой льдистости верхнего горизонта мерзлых пород даже небольшое увеличение глубины сезонного протаивания приведет к активизации таких разрушительных мерзлотных процессов, как термокарст, термоэрозия и солифлюкция. Усилятся процессы разрушения береговых уступов арктических морей. Экономика Севера потребует дополнительных затрат для обеспечения сохранности мерзлого основания зданий и инженерных сооружений.

Ожидаемое к середине XXI века потепление климата и криолитозоны сопоставимо с потеплением в период голоценового климатического оптимума 4600-8000 лет назад, когда южная граница криолитозоны отступила к северу и заняла положение, близкое к прогнозируемому ее положению в 2050 г. На территориях, где вечная мерзлота сохранялась, увеличивалась глубина сезонного протаивания. Анализ строения верхнего горизонта вечномерзлых пород позволяет установить глубину сезонного протаивания в это время. В арктических и высокогорных районах она оказалась на 20-40 % больше современной глубины, то есть сопоставимой с прогнозируемой величиной прироста мощности сезонноталого слоя к 2050 году. Подобное совпадение лишний раз подтверждает реальность предложенного сценария потепления климата и криолитозоны.

Региональные закономерности инженерно-геологических условий и районирование Сибирской платформы

Формационные и геолого-структурные особенности. Инженерно-геологическое районирование Сибирской платформы необходимо для установления на ее территории закономерностей пространственной изменчивости инженерно-геологических условий. Эта задача может быть успешно решена при строгом соблюдении историко-генетических принципов изучения и систематизации всех факторов, определяющих инженерно-геологические условия территории. В основе регионального инженерно-геологического районирования Сибирской платформы лежит инженерно-геологический анализ горных пород и слагаемых ими комплексов, исследование закономерностей их распространения в земной коре.

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]

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.

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.

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.

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.

Строительство в районах многолетней мерзлоты

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, возведенные на своеобразных «курьих ножках» железобетонных сваях-стойках. 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.

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.);

предварительное оттаивание грунта и его уплотнение в основании. Этот метод применим для отапливаемых зданий, когда исключается восстановление мерзлого состояния оттаявших грунтов. Выбор любого из перечисленных методов осуществляется в результате всестороннего технико-экономического анализа.

При проектировании производственных зданий предпочтение следует отдавать их блокировке в единые корпуса. Наиболее целесообразно возводить большепролетные здания с размещением оборудования на этажерках, которые не связаны с каркасом здания.

Для ограждающих конструкций применяют слоистые элементы из легких эффективных материалов. Особое внимание следует уделять воздухонепроницаемости конструкций – в местах соединения элементов и в стыках панелей.

Вечномерзлые грунты в основании фундаментов глубокого заложения опор с ростверком или безростверковых рекомендуется использовать по принципу I при соблюдении следующих условий и требований:

— вечномерзлые грунты должны быть преимущественно сливающегося типа, температура которых в течение всего периода эксплуатации моста не будет превышать значений, принятых в расчетах несущей способности основания;

— в местах сильных снежных заносов продольный профиль дороги должен обеспечивать в пределах перехода наличие просвета под мостом, как правило, не менее 3,5 м;

— русло в месте мостового перехода следует запроектировать таким образом, чтобы свести к минимуму возможность образования наледей и термокарста, для чего необходимо обеспечить максимальную сохранность поверхностного слоя грунта в пределах меженной части русла и сосредоточенный пропуск вод под мостом, используя для этой цели при необходимости лотки или другие устройства. При недостаточности таких мер рекомендуется с верховой стороны моста на расстоянии 50-100 м осуществить перехват подруслового потока, например, с помощью мерзлотной завесы, устраиваемой с использованием охлаждающих устройств. Для предотвращения появления термокарста следует предусмотреть меры по исключению возможности длительного застоя воды вдоль насыпи и под мостом, а также существенного повреждения мохорастительного покрова в зоне мостового перехода;

— дно русла в местах возможного его значительного размыва должно быть укреплено на длине не менее 15 м в верховую и низовую стороны от оси малого моста;

— промежуточные опоры рекомендуется по возможности размещать вне пределов меженного русла;

— свайные элементы (сваи разных типов) фундаментов следует заделывать в мерзлые грунты ниже уровня максимально возможного их оттаивания на глубину, обеспечивающую восприятие расчетных нагрузок, включая силы морозного выпучивания;

— низ свайных элементов необходимо располагать не менее чем на 4 м выше поверхности подземного льда или сильнольдистых грунтов. Если это условие невыполнимо, такие грунты должны быть прорезаны свайными элементами, а при невозможности этого — решение об использовании сильнольдистых грунтов в качестве оснований следует принимать индивидуально.

В качестве основания фундаментов, используемого по принципу II, пригодны любые вечномерзлые крупнообломочные грунты, плотные и средней плотности пески, твердые, полутвердые и тугопластичные глинистые грунты, а также другие малосжимаемые при оттаивании грунты (характеризуемые относительной осадкой при оттаивании не более 0,03) при условии обеспечения предусмотренной проектом опор несущей способности оснований и перемещений верха опор в пределах нормированных допусков.

В основаниях фундаментов твердомерзлые грунты следует использовать преимущественно по принципу I. При этом для фундаментов железнодорожных мостов необходимо обеспечить на весь период эксплуатации температуры мерзлых грунтов основания на 0,5 °С ниже расчетных температур для песков и супесей и на 1 °С — для суглинков и глин.

Пластично-мерзлые грунты в основаниях фундаментов следует использовать, как правило, по принципу II. В случае технико-экономической нецелесообразности такого решения допускается использовать эти грунты по принципу I (для железнодорожных мостов в опытном порядке), если в течение всего периода эксплуатации сооружения с помощью комплекса мер (например, охлаждающих устройств, каменных набросок, проветриваемых полостей и других мероприятий) будет сохранена температура грунтов не выше принятой в расчетах несущей способности по прочности и деформативности основания.

При этом количество охлаждающих установок следует назначать с учетом коэффициента надежности, равного 2.

Вечномерзлые грунты в основании фундаментов малого моста, как правило, следует использовать по одному принципу, не допускается опирания их частично на мерзлые и частично на немерзлые или оттаивающие грунты.

При значительном количестве опор большого моста допускается применение двух принципов для грунтов основания фундаментов соседних опор с учетом требований нормативов. Для грунтов основания фундамента каждой отдельной опоры совместное использование двух принципов не допускается.

 

Читать по теме:

ЛИТЕРАТУРА 

Written by Админ

Ноябрь 5th, 2013 at 11:59 пп