Геологические процессы в районах многолетней мерзлоты
В последние десятилетия в России в сферу строительного освоения в районах многолетней мерзлоты вовлекаются все новые и новые территории: север Западной Сибири, шельф арктических морей с газовыми месторождениями.
Вторжение человека не проходит бесследно для «хрупкой» природной обстановки Севера: разрушается почвенно-растительный слой, изменяется рельеф, режим снегового покрова, возникают болота. В значительной степени эти изменения обусловлены развитием криогенных (мерзлотных) процессов. Рассмотрим их более подробно.
Морозное (криогенное) пучение – это увеличение объема водонасыщенных дисперсных пород при льдовыделении в них. Причина морозного пучения заключается в сезонном и многолетнем промерзании горных пород. При переходе воды в лед объемное расширение породы достигает 8%.
Согласно ГОСТ 25100-95 пучинистый грунт – это дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда.
Развитие морозного пучения определяется следующими условиями:
- наличие водонасыщенных дисперсных грунтов;
- глубокое сезонное промерзание грунтов;
- близкое залегание от поверхности грунтовых вод.
Силы, действующие на фундамент при морозном пучении грунта
Внешне морозное пучение выражается в локальном поднятии поверхности земли в виде пучин – небольших вздутиях и бугров высотой 0,2-0,6 м и длиной от нескольких метров до 10-12 м. Образование пучин представляет опасность для легких малоэтажных зданий, дорог, трубопроводов, аэродромов и других сооружений. Проявляется оно в виде деформаций различных сооружений, выпучивании столбов, свай и др.
Для предупреждения этих явлений глубина заложения фундаментов должна быть не меньше глубины сезонного промерзания. Следует предусматривать также дренирование пучинистых грунтов с помощью канав, лотков, труб, замену их на непучинистые, гравийно-галечные и щебенистые, засыпки для уменьшения сил смерзания пород с фундаментом, проектировать сооружения на столбчатых и свайных фундаментах.
Особую форму морозного пучения в районах многолетней мерзлоты представляют достаточно крупны формы рельефа – так называемые бугры пучения. Образуются они при промерзании талых водоносных пород, подпитываемых снизу напорными межмерзлотными и подмерзлотными водами. Рост бугров пучения, а их высота достигает 30-60 м, может продолжаться в течение многих лет.
Льдистое ядро, которое находится в центре бугра печения на стадии его старения протаивает, и тогда на его месте образуется озеро.
Наледи – ледяные тела различных форм и размеров, возникающие в многократного излияния на поверхность и замерзания поверхностных (речных, озерных, техногенных) или подземных вод.
Речные наледи образуются при резком сужении на отдельных участках реки ее живого сечения вследствие зимнего промерзания. В результате создается значительный гидростатический напор, и речные воды по трещинам и другим ослабленным зонам взламывая лед, выходят на поверхность и замерзают в виде ледяного тела. После многократных излияний и замерзания толщина речной наледи может составлять 3-4 м и более.
Наледи подземных вод связаны с промерзанием водоносных путей, прорывом подземных вод и излиянием их на поверхность земли. Огромные наледи площадью в десятки квадратных километров образуются в Якутии за счет выхода на поверхность и замерзания зимой вод из крупных карстовых источников.
Наледообразование представляет серьезную угрозу для различных сооружений, в первую очередь, автомобильных и железных дорог, мостовых переходов, линий связи. Наледи могут образовываться под холодными зданиями или внутри их.
Для борьбы с наледями следует применять комплексные методы защиты, а именно:
- сооружение для свободного пропуска наледей, через зону защищаемого сооружения,
- спрямление и углубление русла,
- перехват и отвод подземных вод с помощью дренажных систем,
- устройство мерзлотных поясов, состоящих из комбинации канавы и противоналедного вала выше наледи. При этом канава обеспечивает промерзание грунта до водоупорна (до появления наледи), а вал непосредственно задерживает наледь.
Термокарст – процесс оттаивания залежей подземного льда и льдистых грунтов, сопровождающихся их осадкой и образованием отрицательных форм рельефа – котловин, воронок и др. Обычно все эти формы рельефа заполняются водой, образуя термокарстовые озера.
Сходство термокарстовых процессов с карстовыми заключается в том, что в ходе этих процессов образуются крупные подземные пустоты, нередко сопровождаемые оседанием и провалами грунтов. Различие в том, что карст обусловлен растворением пород, а термокарст – вытаиванием подземного льда.
Основными причинами развития термокарста в многолетнемерзлых породах являются общее потепление климата и деградация многолетней мерзлоты, а также инженерно-хозяйственная деятельность человека. Благоприятные условия для развития техногенного термокарста создаются при эксплуатации тепловыделяющих сооружений, строительстве нефте- и газопроводов, аэродромов, дорог и др. Быстрому вытаиванию подземного льда и образованию термокарстовых оседаний способствуют срезка почвенно-растительного слоя, вырубка леса и кустарников, устройство выемок.
Строительными нормами и правилами при проектировании инженерной защиты от термокарста предусматривается:
- сохранение почвенно-растительного покрова;
- отсыпка застраиваемой территории песчаным и гравийно-песчаным грунтом (это основной способ защиты);
- укладка на поверхности земли теплоизоляционных покрытий;
- регулирование стока поверхностных вод.
При строительстве зданий и сооружений со значительным тепловыделением следует предусматривать вентилируемые подполья, не допуская оттаивания льдистых грунтов.
Солюфикация – медленное сплывание оттаивающих многолетнемерзлых пород на пологих склона. Основная причина развития солюфикационного процесса – разрушение структурных связей в дисперсных породах и уменьшение их прочности при оттаивании. Оттаивающий слой грунтов текучей консистенции сползает вниз по поверхности твердых мерзлых грунтов со скоростью от нескольких сантиметров до 1-2 м в год. Основные формы проявления этого процесса в рельефе: солюфикационные языки, покровы и террасы.
Солюфикация наносит значительный вред дорогам, коммуникациям, малозаглубленным опорам.
Меры борьбы:
- осушение сезонноталого слоя,
- посадка кустарников для укрепления склонов;
- устройство подпорных стен.
Курумы – каменные подвижные россыпи на склонах гор, которые образуются под влиянием мерзлотных процессов – выпучивания, сползания, замерзания.
Важнейшее значение в их развитии имеет один из видов физического выветривания – морозное выветривание. В результате выветривания крупные блоки пород (диаметром до 3,5-4,0м) оттаргаются от подстилающих коренных породи движутся вниз по склону со скоростью от нескольких сантиметров до 1,0-1,5 м в год.
Курумы широко развиты в горных районах Восточной Сибири и ряде других районов, занимая большую площадь в несколько квадратных километров. В Забайкалье и Южной Якутии на склонах крутизной более 20о отмечены быстрые (от нескольких минут до нескольких часов) смещения глыбового материала. Однако в большинстве случаев курумы движутся очень медленно по пологим склонам, образуя так называемые каменные реки и каменные моря. Перемещению курумов вниз способствует водонасыщенный глинистый заполнитель, залегающий обычно в их основании.
Медленно спускаясь с гор, курумы затрудняют строительство и эксплуатацию сооружений. Остановить курум весьма затруднительно. Поэтому при строительстве линейных сооружений курумы следует обходить либо преодолевать с помощью мостовых переходов.
Термоабразия связана с быстрым (до 20 м/год) разрушением и отступанием берегов, сложены оттаивающими многолетнемерзлыми породами.
Термоэрозия – с тепловым и размывающим действием временных и постоянных водотоков и катастрофически быстрым развитием промоин и оврагов.
Для предотвращения негативного воздействия этих процессов на различные сооружения, следует разрабатывать комплекс специальных противоабразивных и противоэрозионных мероприятий на основе инженерно-геологических и мерзлотных изысканий.