Введение

История развития инженерного освоения нашей планеты – история развития всего человечества. Она прошла путь от создания примитивных орудий труда, охоты и быта, до строительства крупных мегаполисов, занимающих тысячи квадратных километров, со сложной инфраструктурой обеспечения жизнедеятельности. Не исключением является территория криолитозоны, где сосредоточены огромные природные ресурсы, без освоения которых трудно рассчитывать на создания комфортных условий проживания и обеспечения государственной безопасности.

Инженерная геокриология – наука, разрабатывающая фундаментальные и прикладные основы эффективных методов строительства и производства работ в условиях криолитозоны для обеспечения комфортной и безопасной жизнедеятельности человека.

Решения задач Инженерной геокриологии невозможно без глубоких теоретических и экспериментальных исследований теплового и механического взаимодействия массивов криолитозоны с инженерными сооружениями. Комплексность геокриологических исследований, использование для их проведения системного подхода позволяют эффективно решать проблему обеспечения качества проектирования, строительства и эксплуатации инженерных объектов с учетом масштабов их воздействия на криолитозону. Решая проблему оптимизации принимаемых управленческих решений для создания комфортной и безопасной жизнедеятельности населения в суровых климатических условиях, инженерная геокриология изучает природно-техническую систему, во взаимодействии элементов: атмосфера-криолитозона-инженерных объектов. Проблеме оценки их взаимодействия уделено основное внимание в учебном пособии.

Глава 1. Научно-методические основы практикума

Инженерная геокриология – наука, разрабатывающая фундаментальные и прикладные основы эффективных методов строительства и производства работ в условиях криолитозоны для обеспечения комфортной, безопасной жизнедеятельности [99].

Объектом науки «Инженерная геокриология» является криолитозона – область жизнедеятельности человека, предметом – обеспечение эффективного инженерного освоения криолитозоны на основе разработки и совершенствования: экспериментальных методов исследований строительных свойств грунтов криолитозоны; теоретических и практических основ инженерно-геокриологического картирования и типизации криолитозоны; теориитепловогои механического взаимодействия криогенных массивов пород и инженерных сооружений; теоретических и практических основ создания оснований сооружений с заранее заданными свойствами грунтов, приемов и методов управления ими; мероприятий по обеспечению экологически безопасной и экономически эффективной эксплуатации инженерных сооружений.

1.1. Криолитозона как вмещающая среда, основания и материалы для инженерных сооружений

Криолитозона как среда для инженерных сооружений отличается рядом особенностей. Основными из этих особенностей является природа ее формирования, распределение и существования в пространстве и во времени, кинетика криогенных физико-геологических процессов и явлений, реакция на нарушение условий ее существования[69]. Общепринятой трактовки термина «Криолитозона» в геокриологии не существует. В одних случаях это понятие идентифицируется с областью распространения многолетнемерзлых пород, в других – с массивами, обладающими определенными свойствами. В целом оба подхода к определению термина имеют право на существование, но с одним уточнением. В первом случае, содержание термина, ограничивая территорию криолитозоны южной климатической границей ее распространения, имеет в большей степени географическое значение. Во втором – учитывая необходимые и достаточные условия существования криолитозоны, как массива части литосферы с нулевой или отрицательной среднегодовой многолетней температурой, термин в большей степени отражает физические условия существования криолитозоны. И в первом и во втором случае в вещественном составе пород криолитозоны, основным породообразующим минералом является лед. Использование этих трактовок термина правомерно в инженерной геокриологии, которая решает вопросы точечной и региональной застройки криолитозоны, в связи с вовлечением ее территории в хозяйственный оборот.

Многолетнемерзлые массивы горных пород по условиям формированияя подразделяются наэпигенетические, сингенетические, полигенетические и дикриогенные промерзающие. Горные породы, промерзшие после их образования относятся к эпигенетическим, формирующиеся осадки одновременно с их многолетним промерзанием – сингенетическими, залегающие на вечной мерзлоте и промерзшие снизу и сверху – дикриогенными толщами вечной мерзлоты. Толщи грунтов, строении которых участвуют многолетнемерзлые грунты с различными условиями их формирования, называют полигенетическими. Из условий формирования толщ вечной мерзлоты следует, что они могут быть представлены всеми петрографическими и геолого-генетическими типами грунтов, время образования которых может быть представлено всеми разделами геолого-хронологической шкалы пород Земного Шара.

На Земном Шаре территория распространения собственно многолетнемерзых грунтов составляет 23-24% [46], с учетом сезонномерзлых грунтов – около 50% [29], на территории СССР в пятидесятые годы 52%[23], в настоящее время на этой же территории 46% [92]. Австралия – один из континентов на Земном Шаре, где вечная мерзлота отсутствует [82].

В настоящее время широко известны две модели распространения мерзлых грунтов на Земном шаре: циркумполярная и традиционная, картографическая модель(рис. 1.1.).

На первой модели показаны территории распространения моно- и полиминеральных многолетнемерзлых грунтов

Рис. 1.1. Циркумполярная модель распространения многолетнемерзлых грунтов в Северном полушарии [101]:

1 – сплошное распространение; 2 – прерывистое; 3 – островное и горное; 4 – реликтовое; 5 – ледниковый щит

На второй модели показано распространение сезонно- и многолетнемерзлых грунтов (рис. 1.2.)

Рис. 1.2. Схема современного распространения сезонной и многолетней криолитозоны на земном шаре [29]:

1, 2 - субаэральная криолтозона (1 –равнинная, 2 - горная); 3 – субмаринная криолитозона; 5, 6 – сезонная криолитозона (5 – гумидного и 6 – аридного типов)

Вертикальный разрез грунтов вечной мерзлоты и площадь ее распространения имеют свои особенности, обусловленные историей и условиями их формирования. Южная граница распространения вечной мерзлоты на территории России расположена на северной половине Кольского полуострова, простирается к устью Мезени, затем опускается по широтному колену Печоры и идет вдоль западных предгорий Урала южнее 64° с. ш., в Западной Сибири расположена по северному широтному интервалу Оби и далее идет вдоль долины Енисея. В устьевой части Подкаменной Тунгуски она сворачивает на юг и по правобережью Енисея уходит в горные районы Монголии и Китая. На востоке России южная граница вечной мерзлоты огибает горные хребты на камчатке и вдоль Амура.

Следует помнить, южная граница, площадь распространения и строение криолитозоны не постоянны в пространстве и во времени (Рис. 1.3). Масштабы их изменений определяться масштабностью эволюции природных условий и интенсивностью урбанизации территорий

ркп

ркр

Рис. 1.3. Тип распростренения (трк) и вертикальный разрез(врк) грунтов криолитозоны в «Южной» (а, б, в) и «Северной» (г) геокриологических зонах [29, 87]:

ргк): а - редкоостровное, б – массивноостровное, в – прерывистое, г – сплошное. Площадь криолитозоны заштрихована; врк:1- южная граница реликтовых(1а) и современных многолетнемерзлых пород; 2 – слой сезонного промерзания (2а) и протаивания(2б); 3 – несквозные талики; 4 – современные несливающиеся многолетнемерзлые породы; 5 – сквозные талики; 6 – современные сливающиеся многолетнемерзлые породы; 7 – реликтовые сливающиеся и несливающиеся многолетнемерзлые породы.

Криолитозона формируется не только в пространстве, но и во времени. Массивы криолитозоны и их грунты (породы) по времени существования классифицировались многими авторами. Не обращая внимания на некоторые различия в используемой терминологии, следует отметить, что эти классификации носят не только теоретический, но и практический характер и нашли отражение в нормативной литературе (табл. 1. 1).

Таблица 1.1

Классификации мерзлых грунтов по времени существования [99].

Наименование	Время существования	Авторы
Многолетнемерзлые	Годы, сотни и тысячи лет	М.И. Сумгин
Сезонномерзлые	Месяцы
Вечномерзлые	Века, тысячелетия	Н.А. Цытович
Многолетнемерзлые	От нескольких лет до нескольких десятилетий
Сезонномерзлые	От одного до двух сезонов
Кратковременно-мерзлые	От нескольких часов до нескольких суток
Кратковременно-мерзлые	Сутки	Э.Д. Ершов
Кратковременно-мерзлые	Не более суток	Д.М. Шестернев
Сезонномерзлые	Менее года
Эпизодически мерзлые	От года до трех лет
Многолетнемерзлые	От 3-х до 100 лет
Вечномерзлые	Более 100 лет
Вечномерзлые	Три года и более	СНиП 2.02.04. – 88
Перелетки	От одного года до трех
Сезонномерзлые	1-й холодный сезон года

Особенности распространения, интенсивность развития и проявления экзогенных процессов в криолитозоне в целом определяются ландшафтно-климатическими и мерзлотно-геологическими факторами и условиями [9, 11, 29, 96].

Таким образом, криолитозона, как среда для размещения и эксплуатации инженерных сооружений отличается специфическими условиями, не учитывая которые невозможно достичь эффективного и устойчивого природопользования в условиях Сибири.

Основанием зданий и сооружений приято считать массив грунта криолитозоны, залегающий ниже подошвы фундамента и воспринимающий тепловую и механическую нагрузку. Проектируемые основания должны обеспечивать устойчивость зданий и сооружений на весь период их использования. Для решения этой задачи при проектировании оснований необходимы знания особенностей геокриологических и климатических условий территории строительства, состава, строения и свойств массива горных пород на строительной площадке.

Грунт мерзлый это грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся структурными криогенными связями [20]. Грунт многолетнемерзлый (синоним – грунт многолетнемерзлый) – грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет. Грунт сезонномерзлый – грунт, находящийся в мерзлом состоянии периодически в течение холодного сезона. Грунт сыпучемерзлый (синоним – «сухая мерзлота») –крупнообломочный и песчаный грунт, имеющий отрицательную температуру, но не сцементированный льдом и не обладающий силами сцепления. Грунт мерзлый распученный – дисперсный грунт, который при оттаивании уменьшает свой объем.

Грунт охлажденный – засоленные крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты, отрицательная температура которых выше температуры начала их замерзания. Грунт твердомерзлый – дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой. Грунт пластичномерзлый – дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой.

Классы природных (III и техногенных (IV) мерзлых грунтов [20]

Класс	Группа	Подгруппа				Тип		Вид		Разновидности
III	Скальные	Промерзшие	Интрузивные, эффузивные Метаморфические, осадочные				Ледяные минеральные		Те же, что и для скальных грунтов		Выделяются по: 1) льдистости за счет видимых ледяных включений; 2) температурно-прочностным свойствам; 3) степени засоленности; 4) криогенной текстуре
	Полускальные		Эффузивные, Осадочные
	Связные		Осадочные				Ледяные минеральные		Те же, что и для дисперсных грунтов
							Ледяные органоминеральные
							Ледяные органические
	Ледяные	Конституционные (внутригрунтовые)				Льды		Льды - сегрегационные, инъекционные, ледниковые
		Погребенные						Льды - наледные, речные, озерные, морские, донные, инфильтрационные (снежные)
		Пещерно-жильные						Льды - жильные, повторножильные, пещерные
IV	Скальные Полускаль-ные	Природные образования, измененные в условиях естественного залегания	Измененные воздействием	физическим (тепловым)			Те же, что и для природных мерзлых грунтов		Все виды природных скальных грунтов		Выделяются как соответствующие разновидности классов природных грунтов с учетом специфических особенностей и свойств техногенных грунтов
				химико-физическим
	Связные Несвязные Ледяные	Природные образования, измененные в условияхестественного залегания		физическим (тепловым)			Те же, что и для природных мерзлых грунтов		Все виды природных дисперсных грунтов
				химико-физическим
		Природные перемещенные образования	Насыпные Намывные		Измененные физическим (тепловым) или химико-физическим воздействием
		Антропогенные образования	Насыпные Намывные Намороженные						Бытовые, промышленные и строительные отходы, шлаки, шламы, и др. Искусственные льды

Лед в мерзлых породах может находиться в виде: – отдельных кристаллов размером от неразличимых простым глазом до четко видимых, часто образующих скопления в виде гнезд; – закономерно залегающих в породе горизонтальных, наклонных и ледяных вертикальных шлиров, слоев, линз различной толщины, расположенных на различном расстоянии друг от друга и образующих определенные криогенные текстуры; крупных масс подземного льда, таких как, например, ледяные жилы (повторно-жильные льды) и пласты льда, которые можно рассматривать как мономинеральную горную породу. Основными типами криогенных текстур согласно [20] являются массивная, слоистая, сетчатая и корковая.

Основаниями для промышленных и гражданских сооружений могут быть любые группы скальных, полускальных, связных и ледяных грунтов, внутри которых по генезису выделены подгруппы интрузивных, эффузивных, метаморфических, осадочных, а также техногенных грунтов.

Температурный режим грунтов вечной мерзлоты и его динамика играют наиболее значительную роль при использовании их в качестве оснований. В слое годовых колебаний температур грунтов, как правило, наблюдает два участка. В первом – колебания температур происходит в диапазоне положительных и отрицательных их значений, во втором – при отрицательных значениях (рис.1.4). Амплитуда колебания температуры слоя сезонного оттаивания увеличивается с повышением континентальности климата. Ниже слоя сезонного оттаивания ( до глубины Н_г температура грунтов, оставаясь отрицательной, меняется в течение года. На глубине Н_г расположена подошва нулевых колебаний амплитуды температуры. Глубина залегания Н_г зависит от континентальности и геологических условий района. В нормативных документах среднее значение Н_г принято рав­ным 10 м. Температура на этой глубине принимается равной средне­годовой температуре грунта.

Рис. 1.4. Изменение температуры мерзлых грунтов t^г по глубине z по месяцам года, амплитуд температуры t_ср (а) и температуры А_zпо глубине (огибающие кривые), среднегодовой температуры t_cp (a) и температуры пород во времени (б) на глубине 0,4 м (1), 2 м (2), 2,4 м (3) и в воздухе [10]

Ее принимают в качестве расчетной температуры при вычислении глубины оттаивания, а также прогнозу температурного режима осно­ваний сооружений и других тепловых расчетов.

Ниже уровня нулевой годовой амплитуды обычно с глубиной отмечается постепенное повышение температуры, оно обусловлено влиянием геотермического градиента.

Температура криолитозоны - один из решающих факторов, определяющий принципы использования грунтов оснований зданий и сооружений. По глубине в пределах криолитозоны по температурному фактору выделяется два яруса. Первый характеризуется сезонными колебаниями температур. В расчетах его глубина принимается равной 10 м. (рис. 1.5) [78, 80]. В природных условиях для глинистых грунтов эта глубина может не превышать 7-8, а для горных областей криолитозоны с незначительной мощностью четвертичных отложений – достигать 15-20 м.

Рис. 1.5. Схематический температурный разрез криолитозоны: 1 – слой сезонного оттаивания; 2 – мощность слоя грунтов с годовыми колебаниями температур; 3 - граница зоны годовых нулевых амплитуд; 4,5 – соответственно огибающие кривые максимальных и минимальных годовых температур; 6 - среднегодовая температура грунтов; 7- нижняя граница криолитозоны [29]

Температура грунтов криолитозоны ниже подошвы колебаний годовых нулевых температур практически постоянна и изменяется в соответствии с величиной геотермического градиента, которая колеблется преимущественно в пределах 0,02-0,035 ºС/м[46, 82].

Следует отметить, что в нижней зоне толщи пород, имеющей от­рицательную температуру, некоторый слой грунтов может находиться в переохлажденном состоянии ввиду большого давления, понижающего температуру кристаллизации. Кроме того слои грунтов с переохлажденной водой могут существовать при низкой температуре замерзания грунтовой влаги, обусловленной высокой концентрацией солей в поровой влаге. Поровые растворы влаги с отрицательной температурой называют «Криопэгами».

Строительным материалом (в зависимости от типов инженерных сооружений) могут быть любые природные и техногенные грунты (от скальных до ледяных). Выбор конкретного их типа, вида и разновидности, для строительства инженерных сооружений, регламентируется конструктивными особенностями и целевым их использованием, а также строительными свойствами грунтов, в диапазонах значений, обозначенных в соответствующих стандартах. Например, в Якутии, Колыме, и в пределах других областей горной криолитозоны, в слое сезонного оттаивания и промерзания сформировался чехол крупнообломочных грунтов с песчано-глинистым заполнителем, который практически без дополнительной подготовки используется в качестве строительного материала для возведения насыпей автомобильных и железных дорог [92,100]