Инженерногеоэкологические проблемы строительства на вечной мерзлоте

«Средняя общеобразовательная школа г. Игарки»

им. В.П. Астафьева

ТЕМА ПРОЕКТА:

«Инженерногеоэкологические проблемы строительства на вечной мерзлоте»

                                                         Руководитель: Павкович Э.Г.

учащийся 10 А класса

Розенберг Василий

Игарка - 2015

ПЛАН:

                                          I.            Введение………………………………………………………….  3

                                       II.            Проблемы строительства на вечной мерзлоте…………………. 3

                                    III.            Геокриологический или мерзлотный прогноз…………………. 6

                                   IV.            Мерзлотные особенности игарского района………………..….. 6

                                      V.            Выявленные проблемы строений города Игарки ……………… 7

                                   VI.            Пути решения проблемы………………………………………… 8

                                VII.            Заключение…………………………………………………….…. 8

Используемые источники……………………………………….. 9

I.                  ВВЕДЕНИЕ

Явление промерзания верхних слоев Земли ученые называют по-разному: вечной мерзлотой, толщей мерзлых пород, криогенной толщей, многолетнемерзлыми грунтами, а то и просто мерзлотой.

Ученые мерзлотоведы до сих пор не могут определить, когда началось образование вечной мерзлоты. Но сейчас почти доказано, что глубокое промерзание земли на протяжении всей истории существования планеты Земля происходило не один раз. Это показывают многочисленные находки следов оледенений, а также остатки хладостойких растений и животных в тропических зонах.

Пространства, занятые вечной мерзлотой, — это кладовая разнообразных природных ресурсов. Здесь сосредоточены многие месторождения газа, нефти, угля, алмазов, золота, никеля, меди, олова, минеральных удобрений. Построены нефтегазопромысловые объекты нефти- и газопроводы протяжённостью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты, возведены города и поселки. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута и др. В городе Игарка Красноярского края создан единственный в мире музей вечной мерзлоты. А в Якутске действует Единственный в России институт Мерзлотоведения, который курирует работу геокриологической лаборатории в г. Игарке.

Вечная мерзлота — главная и характерная особенность природы Севера. Поэтому без преувеличения можно сказать, что для рационального освоения природных ресурсов области вечной мерзлоты нужно хорошо знать свойства мерзлых толщ и возможности их использования. Освоение же территорий всегда связано со строительством. Для успешного возведения строительных объектов  в условиях вечной мерзлоты необходимо учитывать мерзлотный или геокриологический прогноз.

II. Проблемы строительства на вечной мерзлоте

Две неприятности ожидают строителей в зоне вечной мерзлоты. Первая — это просадка при оттаивании мерзлых, насыщенных льдом оснований под фундаментами зданий, насыпями железных и шоссейных дорог, покрытиями аэродромов. Вторая — это выпучивание свай, фундаментов, опор мостов, оснований линий электропередач и т. д. Особенно опасны для сооружений неравномерные осадки и пучение мерзлого основания. Легко представить себе, каковы бывают убытки от деформаций и разрушений домов и промышленных сооружений. Основная причина разрушений — нестабильность свойств мерзлой толщи.

 

Прочность и устойчивость мерзлых грунтов зависят от температуры и состава льда. Знакомые всем рыхлый влажный песок и пластичная глина при замерзании цементируются льдом и становятся крепкими, как скала. Они выдерживают большие нагрузки и служат надежным основанием для различных фундаментов, но при условии, что температура мерзлого песка не выше —5°С, а мерзлой глины — 7 — 8°С. При температурах более высоких, близких к 0°, мерзлые фунты становятся пластичными и не выдерживают тяжести сооружений. Это объясняется тем, что в мерзлых глинах, суглинках и песках в небольшом количестве присутствует незамерзшая вода. Она сохраняется в мерзлых фунтах даже при очень низких отрицательных температурах благодаря молекулярным силам минеральных частиц фунта. С понижением температуры содержание незамерзшей воды быстро уменьшается.

Мощность мерзлого слоя может колебаться в широких пределах — от нескольких метров (в южных районах распространения) до нескольких сот метров на приморских низменностях севера Сибири и в котловинах северо-востока. Максимальная мощность (1500 м) зафиксирована в бассейне р. Вилюй. Летом верхняя часть мерзлого слоя обычно оттаивает на глубину от 10-20 см до 5-6 м (в зависимости от средней годовой температуры горных пород, годовой амплитуды температур на их поверхности, состава грунта и его влажности). Многолетняя мерзлота формируется не только на суше, но и на шельфе арктических морей (Баренцево, Карское и др.) и под ледниками. Образование многолетней мерзлоты обусловлено суровостью климата: очень холодными малоснежными зимами, коротким летом и среднегодовой температурой ниже 0°. Под влиянием многолетней мерзлоты оказываются многие компоненты природы: рельеф и поверхностные воды, растительность и почвы, а также жизнь и деятельность человека.

Для мерзлотной зоны характерны наледи — излияние и замерзание речных вод зимой при сдавливании их между круглый год немерзлым грунтом и нарастающим покровом речного льда. Речные наледи сохраняются часто все лето и способствуют расширению русла реки. Для тундры характерны подземные наледи, которые приподнимают в виде бугра верхний слой грунта и замерзают под ним в виде линзообразного тела (гидролакколит). В более южных частях Восточной Сибири, в таежной зоне образуются сезонные бугры вспучивания. Мерзлота затрудняет передвижение подземных вод, чем ограничивает питание рек, создает трудности при добыче полезных ископаемых, строительстве, прокладке дорог. Воды, скапливающиеся над слоем вечной мерзлоты, заболачивают местность. Неравномерное протаивание и просадка мерзлых грунтов приводят к образованию термокарста. В районах вечной мерзлоты часто наблюдается солюфлюкция — медленное течение протаивающих переувлажненных почв и грунтов на склонах, иногда перерастающее в оползневые процессы. В этом случае осуществляются мероприятия по надлежащему отводу поверхностных вод и осушению грунтов земляного полотна. Для поверхностного водоотвода, перехвата и понижения уровня грунтовых вод применяют углубленные кюветы, лотки, дренажи закрытого типа, в том числе мелкого заложения, продольные канавы.

Пучение грунта – это очень сложное и в последствии приводящее к всевозможным последствиям. Если пренебречь данным явлением, то можно не избежать различного вида проблем. Например, чаще всего в таких случаях при замерзании грунта «поднимается» фундамент вместе с легким зданием, а при оттаивании грунта – опускаются. Неравномерность оттаивания и замерзания грунта приводит в аварийное состояние постройку, а иногда способствует и полному разрушению.

Все мы помним из школьного курса физики, что при замерзании вода имеет больший объем. Тем самым она, замерзая, расширяет и даже разрывает трубопроводы или сосуды.

С грунтом происходит в точности такая же картина. В грунте имеется влага, которая при отрицательной температуре замерзает и увеличивается в объеме. Таким образом, происходит поднятие грунта. Здесь можно сделать простой вывод: чем больше влаги в земле, тем больше при замерзании она увеличивается в объеме и, следовательно, сильнее поднимается грунт.

Если грунт пористый на участке, то явление пучения грунта заметно меньше. Это в результате того, что при замерзании грунт заполняет пустоты пор. А при очень пористом грунте вероятность пучения грунта сводится на нет.

Грунт всегда промерзает постепенно, начиная сверху, с поверхности земли. Замерзая, грунт начинает вытеснять присутствующую влагу, которая уходит все ниже и ниже через поры. Опять же, если грунт пористый, то влага с легкостью и беспрепятственно уходит, и пучения грунта не происходит. Участки с глиной очень плохо пропускают жидкость. Влага здесь не уходит вниз и провоцирует пучение грунта.

К подверженным пучению грунтам относятся следующие их виды: глинистые (глины, суглинки, супеси); крупнообломочные с глинистым заполнителем при содержании частиц размером менее 0,1 мм в количестве более 20% по массе; легковыветривающиеся породы (сланцы, алевролиты, аргиллиты, мергели) в зоне активного выветривания; пылеватые пески при насыщении их водой; торфы и заторфованные грунты. Дренирующие грунты (щебень, галька, гравий, песчано-гравийная смесь, крупно- и среднезернистые пески, шлаки), предохраненные от загрязнения и заиливания, неводонасыщенные мелкие пески, а также асбестовые отходы, применяемые в качестве балластных материалов, пучению не подвержены.

В зависимости от местных мерзлотно-грунтовых условий, а также конструктивных и технологических особенностей возводимых зданий и сооружений их строительство ведут либо с сохранением природного мерзлого состояния грунтов (I метод), либо допускают их оттаивание (II метод). При этом указанное оттаивание может происходить в одном случае постепенно, в процессе эксплуатации возведенных зданий и сооружений, если по качеству грунтов основания оно допустимо и не может вызвать появления больших и неравномерных осадок. В другом случае оттаивание производят до начала строительства, когда грунты сильно сжимаемы и после оттаивания требуется выполнять соответствующие работы по улучшению их качества.

Строить на вечной мерзлоте сложно еще потому, что ее свойства, в первую очередь температура и механические характеристики, теснейшим образом связаны с природной средой. Достаточно уплотнить или удалить снег зимой, снять растительный покров или осушить территорию, как свойства вечной мерзлоты начинают кардинально меняться. Сооружения будут устойчивыми, если сохранять стабильность вечной мерзлоты и по возможности не тревожить ее.

III.           Геокриологический или мерзлотный прогноз

По характеру растительности, почв, рельефа ученые-мерзлотоведы определяют температуру, условия залегания, льдонасыщенность мерзлых толщ. Это позволяет в короткие сроки выбрать оптимальное место для размещения комплекса сооружений. Этот метод ландшафтно-мерзлотной оценки громадных территорий севера Западной Сибири позволяет экономить значительные финансовые средства за счет сокращения дорогих геофизических и буровых работ. В основе метода ландшафтно-мерзлотной оценки лежит высокая чувствительность вечной мерзлоты: ее реакция на изменения климата, растительности, гидрологического режима почти мгновенна. Мерзлые толщи существуют только в связи с отдельными элементами природной среды и с их ландшафтами в целом. Информация о ландшафтной структуре — это основа всех проектов освоения территории вечной мерзлоты и охраны природной среды Севера.

IV. Мерзлотные особенности Игарского района

А теперь несколько слов о мерзлотных особенностях Игарского рай­она. Город Игарка находится на 100 км севернее полярного круга. Климат суровый, средне­годовая температура воздуха - 8°C. Несмотря на это, многолетнемерзлые грунты распростране­ны не повсеместно, а в виде островов.

Можно приблизительно считать, что 60% вечномерзлые грунты, а 40% - талые. Закономерность такова, там, где грунты сложены песчаными грунтами, моренами, валунно-галечными отложениями с супесчаным заполнителем, там грунты талые. А где суглинистые, обводненные грунты, сырые участки, то там должны распространяться мерз­лые грунты. Причина - отепляющее влияние снега. Среднегодовое отепляющее влияние снега от 9  до 10 гр., поэтому грунты находятся в талом состоянии. Об этой основной особенности должны знать строители и в основном, проектировщики.

V. Выявленные проблемы строений в г. Игарка

Музей  Вечной мерзлоты не раз проводил экологические конкурсы и конференции на тему сохранения вечной мерзлоты, на которых выдвигался вопрос о создании в нашем городе Службы надзора за состоянием фундаментов сооружений. В процессе работы над проектом мы задались вопросом, как работает на сегодня эта служба.

Обратившись в администрацию города и Муниципальную энергетическую компанию, мы выяснили, что на сегодня в городе такой службы нет, но при Жилом фонде работает межведомственная комиссия по оценке на аварийность жилого фонда во главе с Глушковым Анатолием Геннадьевичем, куда входят представители Энэргопрома, отдела инвентаризации, кадастровой палаты, главный архитектор города и другие ведущие специалисты г. Игарки. При поступлении сигналов о разрушении или нарушениях при эксплуатации сооружений и строений, комиссия, обследуя объект и подтверждая наличие таковых при необходимости обращается к узким специалистам г. Красноярска. Те в свою очередь проводят комплексные изыскания на наличие причин допустим разрушения и представляют результат в экспертном заключении, в ней же указаны пути их решения, например, комплекс проведения необходимых работ по их устранению. Так, например, в 2013 году по требованию Роспотребнадзора краевыми специалистами была проведена экспертиза Центральной отопительной котельной, которая подвержена разрушению в большей степени и является стратегическим объектом города. Рекомендовано проводить подобные экспертизы ежегодно.

Игарской геокриологической лабораторией города в течение последних нескольких лет были проведены изыскания по следующим разрушающимся объектам: дом № 27, 24 первого микрорайона, два здания, принадлежащие «Таймырэнерго» и дом № 4а по ул. Папанина, недостроенное соматическое отделение больницы, - и это только то, о чем мы узнали конкретно. Кстати, совсем недавно под школой им. В.П. Астафьева произошло растепление грунтов, по причине нарушенной канализационной системы, была утечка воды большого объема.

VI. Заключение

Во время работы над этим проектом были сделаны следующие выводы: разрушение фундаментов и несущих конструкций строительных объектов, дорожного полотна и мостов происходит по нескольким причинам:

1.     Своевременно не сделан геокриологический прогноз почв – главная ошибка проектировщиков;

2.     Неправильная эксплуатация зданий, систем тепло-, водоснабжения и  канализации;

3.     Несвоевременная уборка снега от жилых домов в зимнее время во избежание скопления талого снега весной;

4.     Не проведены мероприятия по отводу поверхностных вод (болот), и осушению грунтов придорожного полотна, которые находятся в черте города.

В интервью на Сибирском интеллектуальном форуме заместитель первого проректора СФУ по науке и международному сотрудничеству, доктор технических наук, профессор Рашит Назиров сказал: « К сожалению, надо признать, что сегодня в вопросе возведения зданий на северных территориях во многом утрачена преемственность поколений. Очень немногие люди по-настоящему владеют практикой подобного строительства. Организации, которые ведут работы сегодня, строят по СНиПам, разработанным ещё в советское время. А вот новых научных и теоретических разработок почти не ведётся».

VII.        Пути решения проблем

На основании знаний, полученных в ходе исследования данной темы, мы предлагаем следующие пути по сохранению вечной мерзлоты и зданий:

1.     Осушить два болота (поверхностный водоем) вокруг ДОУ «Кристаллик», болото около ДЮСШ;

2.     Выявить причину вспучивания грунтов под дорогой во II микрорайоне от дома № 7 до Енисейского объединенного банка.

3.     Ежегодно обследовать жилые здания, строения города на выявление деформаций и разрушений оснований фундаментов и несущих конструкций.

4.     Своевременно проводить снегоуборку от зданий.

Однако вечная мерзлота имеет и положительные стороны. По сути дела это огромный естественный холодильник, в котором хранение продовольственных продуктов не требует больших затрат. Поэтому здесь устраивают большие подземные склады, где не нужно тратить ресурсы на поддержание низких температур.

Строительство и эксплуатация инженерных сооружений (зданий, дорог, трубопроводов и т.д.) в районах вечной мерзлоты связаны с большими трудностями и это имеет огромное экологическое значение для северных территорий с их неповторимой природой, незагрязненной хозяйственной деятельностью человека.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1.     Проблемы геокриологии / Под ред. д.т.н. Р.М. Каменского, к.г.н. В.В. Куницкого, д.г.-м.н. Б.А. Оловина и д.г.-м.н. В.В. Шепелева. – Якутск: Изд-во СО РАН, 1998;

2.     Тепловой режим грунтов Енисейского Севера /Скрябин П.Н., Сергеев Б.П. - Якутск: Ин-Т Мерзлотоведения СО АН СССР, 1989;

3.     Мерзлотные исслелования, вып. XVI М., Изд-во Моск. ин-та, 1977;

4.     Григорьев Н.Ф. Мерзлотно-гидрогеологические особенности района г. Игарки. / - Якутск: Ин-т Мерзлотоведения СО АН СССР, 1991;

5.     http://aboutrus.ru/мерзлота-и-ледники-россии

6.     http://www.time-innov.ru/page/jurnal/2012-5/rubric/6/article/34

7.     http://sibforum.sfu-kras.ru/node/106

• 1 слайд

  «Инженерногеоэкологические
  проблемы строительства
  на вечной мерзлоте»
  Автор: Розенберг Василий
  10А класс «СОШ г. Игарки»
  им. В.П. Астафьева
  Руководитель: Павкович Э.Г.
  ПРОЕКТ
  

• 2 слайд

  Мы живем на вечной мерзлоте.
  Что это такое?
  Вечная мерзлота –
  промерзание верхних слоев Земли или толщи мерзлых пород, или криогенная толща.
  

• 3 слайд

• 4 слайд

• 5 слайд

  Опасности при строении на вечной мерзлоте
  
  
  Неравномерные осадки
  Пучение
  грунта
  

• 6 слайд

  Пучение грунта приводит
  к разрушениям сооружений
  

• 7 слайд

  Зависимость строительства
  от мерзлотных условий
  Сохранение природного состояния грунтов
  Оттаивание
  верхних мерзлых грунтов
  Идет путем рыхления экскаваторами и тракторами, затем при помощи пара, горячей воды, костров или электрического тока и др.
  
  
  
  Строительство сооружений с проветриваемым фундаментом – на сваях
  

• 8 слайд

  Геокриологический прогноз
  

• 9 слайд

  Мерзлотные особенности города Игарки
  Город находится на 100 км севернее Полярного круга
  Среднегодовая температура -8°С
  
  Суровый климат
  Многолетние мерзлые грунты находятся в виде островов
  

• 10 слайд

  Экологические Конкурсы
  Конференции
  Создание Службы по надзору за состоянием фундаментов сооружений
  

• 11 слайд

  Межведомственная комиссия по оценке на аварийность жилого фонда
  

• 12 слайд

  Игарская геокриологическая лаборатория
  

• 13 слайд

  Мы предлагаем некоторые пути по сохранению в городе вечной мерзлоты и построенных зданий
  Осушить болота вокруг ДОУ «Кристаллик» и ДЮСШ;
  Выявить и устранить причину вспучивания грунтов под дорогой во II мкр.;
  Ежегодно обследовать жилые здания, производственные объекты на выявление деформаций и разрушений несущих конструкций;
  Своевременно проводить снегоуборку от зданий в зимнее время.
  

• 14 слайд

  Положительные стороны вечной мерзлоты
  

• 15 слайд

  Спасибо
  за внимание!