Материал: Мерзлота г. Якутска и устойчивость инженерных сооружений

Рис. 9. Прогнозная кривая изменения температуры атмосферного воздуха с 2000 по 2200 год

Ученые Института мерзлотоведения создали систему скважинного геокриологического мониторинга в восьми административных округах города Якутска. Эта система включает в себя 65 участков. Скважины оснащены контрольно-измерительной аппаратурой. Система позволяет изучать в режиме реального времени процессы формирования состава и строения мерзлых грунтов на глубину до 10 м в многолетнем цикле.

Данные измерений Института мерзлотоведения СО РАН свидетельствуют о преобладании отрицательной температуры грунтов порядка -4º C на глубине 10 м, но изменяющейся от места к месту в широких пределах (-2,2÷-5,0º C). Этот разброс связан с влиянием промышленных, жилых и других построек с большим тепловыделением через фундаменты в грунт, наличием улиц с уплотненным снежным покровом зимой, с настилами тротуаров и дорожных покрытий и др. (табл. 1).

Таблица 1. Средняя температура грунта (tСР) на глубине 10 м, по разрезам буровых скважин в области старого Якутска (по данным В.В. Куницкого)

По данным измерений, проведенных в этот период в Шахте Шергина, температура грунтов на глубине от 20 до 70 м тоже равна -4º C. Следует отметить, что температура грунтов в Якутске на этих глубинах почти 100 лет назад тоже была равной примерно -4º C.

Проведенный анализ свидетельствует о том, что основные проблемы устойчивости инженерных сооружений на территории г. Якутска необходимо связывать не с изменением климата, а с неудовлетворительным их проектированием, строительством и эксплуатацией, которые вызывают деградацию мерзлых оснований, фундаментов зданий и сооружений.

Глава 5. О негативных тенденциях изменения природной среды и технического состоянии зданий и сооружений

К концу XX столетия в г. Якутске сформировался большой фонд жилых и общественных зданий в каменном мелкоштучном и крупнопанельном исполнении с различными конструктивными решениями.

По данным Департамента жилищно-коммунального хозяйства администрации города число каменных строений составляет около 3000 единиц, в том числе жилых домов - 968. Состояние жилого фонда признано катастрофическим. Начиная с 1970 г., в городе произошло более 20 случаев крупных обрушений каменных зданий постройки 1950-1960 годов.

Основными причинами неудовлетворительного технического состояния зданий в каменном и крупнопанельном исполнении является ухудшение мерзлотно-грунтовых условий, отсутствие надлежащей вертикальной планировки возле зданий, в кварталах и микрорайонах, отсутствие сети ливневой канализации как в пределах квартальной застройки, так и в объеме генерального плана города, частые аварийные утечки воды из трубопроводных систем  (Шепелев, Шац,2000).

Все это привело к широкому развитию в разных районах города водоёмов застойного типа, своего рода техногенных болот и засоленности.

Оценка современного состояния обводненности города позволила установить, что наибольшее развитие эти образования имеют в его северной и северо-восточной частях, где занимают около 30 - 35% отдельных участков.

Несколько меньшее развитие (15 - 30% площади) водоемы застойного типа имеют в западной части центра города, где их воздействие на различные инженерные объекты весьма активно. В южной части города техногенные болота пока ограничены, в целом занимают не более 10% и приурочены, главным образом, к западной и восточной периферийным областям.

Рис. 10. Засоленные грунты и аварийные сооружения на территории Якутска. 2003 г. 1-2 - засоленные грунты (сумма солей, %): 1 - 0,5-1.0, 2 - выше 1,0; 3 - аварийные сооружения; 4-5 - границы городской застройки: 4 1821 год, 5 - 1908 год

Заключение

Высокая динамичность криолитозоны, обусловленная воздействием колебаний климата, определяет не только своеобразие ее строения, состава и параметры, но и направленность, интенсивность и продолжительность развития многочисленных криогенных явлений и процессов. Однако на этот естественный динамический характер природной обстановки Якутии все существенней и зримее накладывается техногенный фактор, т.е. техническая деятельность людей. Своеобразие и сила этого фактора объясняется тем, что он воздействует на природу концентрированно и почти мгновенно по сравнению с масштабами геологического времени. Строительство новых поселков и городов, водохранилищ, промышленных и сельскохозяйственных комплексов, дорог, газопроводов, развитие горнодобывающей промышленности с ее карьерами, шахтами, подземными рудниками и т.д. - все это примеры концентрированного воздействия технической мощи человека на природу, причем по существу внезапные для нее, поскольку не предусмотрены эволюцией ее геологического развития. Это приводит к появлению многочисленных ран на теле земли. Мерзлотоведы отмечают, что способность земли к самолечению в условиях Якутии очень слаба. Может получиться так, что скованная льдом земля не будет успевать залечивать многочисленные раны и постепенно превратится в техногенную пустыню. В этих обстоятельствах отрицательную роль техногенного воздействия на природу Якутии можно свести к минимуму только в том случае, если развитие строительства и промышленного производства будет идти в тесном союзе с достижениями мерзлотоведения.

Вводы

В рамках работ по данному проекту удалось установить следующее:

. На территории города Якутска наблюдаются многие мерзлотные процессы, такие как термопросадки, пучение, появление криопэгов, обводнение и заболачивание талыми и надмерзлотными водами и многие другие.

. Потепление климата, начавшееся во второй половине 60-х годов XX века и продолжающееся до сих пор, почти не отразились в изменениях мощности деятельного (сезонноталого) слоя на исследуемой территории. Состояние мерзлоты на пригородной и малозастроенной территории практически не изменилось.

. Повышение температуры, засоление и обводнение в основаниях зданий и сооружений города говорит о том, что все эти негативные процессы происходят не из-за потепления климата, а из-за неправильного строительства и эксплуатации.

. На территории города много зданий в аварийном и ветхом состоянии.

Рекомендации

Для выхода из сложившейся кризисной ситуации предлагаются следующие мероприятия:

. Начать восстановление мерзлого состояния грунтов оснований с применением горизонтальных, вертикальных и наклонных систем замораживания, автоматически действующих за счет естественного холода (термосифонов) (рис. 16-17).

. Создать ливневую канализацию и эффективную систему дренирования надмерзлотных и талых вод на территории г. Якутска (рис. 18-20).

. Использовать альтернативные свайным фундаментам поверхностные фундаменты, приспособленные к повышению температуры грунтов и неравномерным осадкам оснований (фундаменты-оболочки, фундаменты структурного типа, плоские фундаментные плиты с сотовым заполнителем) (рис.).

. Организовать специализированную городскую службу, осуществляющую цикл работ по схеме: изыскание - проектирование - строительство - научно-техническое наблюдение.

. Восстановление мерзлого состояния грунтов оснований с применением горизонтальных, вертикальных и наклонных систем замораживания, автоматически действующих за счет естественного холода (термосифонов).

Рис. 11. Конструктивная схема холодной сваи с монолитной рандбалкой: 1 - монолитная железобетонная рандбалка; 2 - воздушный компенсатор термосифона; 3 - разделяющая диафрагма в термосифоне; 4 - внутренние коаксиальные струеразделяющие патрубки; 5 - корпус термосифона; 6 - железобетонная свая

Идея термосифона нашла применение на многих строительных площадках. Предложены различные варианты охлаждающих устройств - их встраивают в саму сваю или помещают рядом.

При снижении температуры с минус 0,50С до минус 2 градусов прочность грунта повышается в 2-2,5 раза. Это обстоятельство подсказало весьма эффективное решение - дополнительно промораживать землю вокруг сваи с помощью сезонно действующего охлаждающего устройства. Представляет оно собой сифон с незамерзающим хладогентом. Трубу, опущенную в грунт так, чтобы ее верх торчал над поверхностью трубы, заполняют керосином, аммиаком или фреоном. Зимой, на морозе, часть жидкости или газа охлаждается и стремится вниз, а согревшаяся поднимается вверх. Циркуляция совершается беспрестанно и доставляет наружный холод в грунт. Дополнительная порция холода поодерживает повышеннуют прочность породы в течение лета, ведь оно на мерзлоте такое короткое. А чем прочнее грунт. Тем меньше можно заглублять сваи, больше их нагружать.

. Ливневую канализация и эффективная система дренирования надмерзлотных и талых вод на территории г. Якутска

С учетом специфики городской территории, находящейся в зоне мерзлоты, Институт мерзлотоведения предлагает применять комплексную систему осушения (Шепелев, 2012). В основу ее положен принциа совмещения ливневой канализации и дренажа надмерзлотных вод сезонноталого слоя. В комплекс рекомендуемой системы осушения входят следующие основные элементы: магистральные дренажные коллекторы, главные (уличные) дрены и локальные (внутриквартальные) дрены. Для предотвращения замерзания воды в коллекторах в весеннее время, когда в них начинают поступать талые снеговые воды, а температура окружающих грунтов отрицательная, внутри дренажных труб следует предусмотреть прокладку греющего кабеля.

мерзлотный потепление климат застройка

Рис. 12. Схема комплексной системы дренирования ливневого и надмерзлотного стока застроенной территории

Рис.13. Конструктивная схема дренажного коллектора в разрезе

Рис. 14. Распределительная емкость дренажного коллектора

Таким образом, для осушения застроенных территорий криолитозоны предлагается создание единой взаимосвязанной трехуровенной системы сбора и отвода как дождевых, так и надмерзлотных вод.

. Поверхностные фундаменты, приспособленные к повышению температуры грунтов и неравномерным осадкам оснований (пространственные вентилируемые фундаменты, фундаменты-оболочки, фундаменты структурного типа, плоские фундаментные плиты с сотовым заполнителем).

Для правильного применения поверхностных фундаментов изданы специальные рекомендации (Гончаров и др., 2012), составленные на основе опыта проектирования, строительства и многолетней эксплуатации зданий на пространственных фундаментах на промежуточном слое (подсыпке) в районах вечномерзлых грунтов.

Схемы пространственных вентилируемых фундаментов-оболочек: а - под ограждающие конструкции; б - под колонны; в - сборный элемент под стены; г - под колонны; д - фундаменты-оболочки с вентиляционными каналами

Таким образом, чтобы правильно строить на мерзлоте, надо правильно оценивать особенности каждой территории, каждой строительной площадки. Ученые-мерзлотоведы разработали способы точно, с цифрами в руках предсказывать поведение мерзлых и оттаивающих грунтов под фундаментами, разработали набор технических приемов, позволяющих использовать полезные свойства мерзлоты и нейтрализовать вредные.

Список использованных информационных источников

1. Алексеева О.И., Балобаев В.Т., Григорьев М.Н., Макаров В.Н., Чжан Р.В., Шац М.М. Природные и техногенные проблемы г. Якутска // Наука и образование, 2006, № 4, с. 94-98.

. Алексеева О.И., Демченко Р.Я., Курчатова А.Н. Мониторинг мерзлых оснований зданий в Якутске // Криосфера Земли. 1999, № 4. - с. 9-15.

. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. - Москва: Мин. охраны окружающей среды РФ. 1992, 48 с.

. Куницкий В.В. и др. Фондовые материалы Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.

. Макаров В.Н. Геохимический атлас Якутска. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР. 1985. 65 с.

. Некрасов И.А. Вечная мерзлота Якутии. Якутск. 1984.

. Общее мерзлотоведение. Изд-во «Наука». Сибирское Отделение. Новосибирск. 1974.

. Рекомендации по проектированию и устройству поверхностных вентилируемых фундаментов на подсыпке в районах вечной мерзлоты / ФГБУН Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН ; [авт.-сост.: Ю. М. Гончаров, А. П. Попович; отв. ред. Р. В. Чжан]. - Якутск : Изд-во ФГБУН Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2012. - 60 с.

. Шепелев В.В. Надмерзлотные воды криолитозоны. - Новосибирск: Академическое издание «Гео». - 2011. - с. 169.

. Шепелев В.В., Шац М.М. Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутска // Наука и образование.- 2000, № 3. - с. 68-71.