Факультет

Студентам

Посетителям

Проблемы инженерной геокриологии

Инженерная геокриология — прикладная ветвь геокриологии.

Она — необходимая часть знаний для обоснования и реализации эффективных способов и технологии строительства инженерных сооружений, режимов их эксплуатации в районах криолитозоны с целью обеспечения надежности функционирования этих сооружений, снижения материальных и энергетических затрат, уменьшения неблагоприятных последствий в окружающей природе.

Инженерная геокриология, используя результаты общей, региональной и физической геокриологий, научно обосновывает существующие и создает новые приемы управления процессами термического, влажностного и механического взаимодействия промерзающих, мерзлых и протаивающих почв и горных пород с результатами производственной деятельности людей (сооружениями, горными выработками, искусственными водоемами и потоками воды, пашнями, культурными растениями, оголенными почвами и др.).

Истоками инженерно-геокриологических идей были труды основоположников инженерного мерзлотоведения. В их числе монографии «Основания механики мерзлых грунтов» (Н. А. Цытович и М. И. Сумгин, 1937), «Вечная мерзлота и строительство на ней» (Н. И. Быков и П. Н. Каптерев, 1940), «Строительство в условиях вечной мерзлоты» (А. В. Ливеровский и К. Д. Морозов, 1941). В этих книгах обобщен значительный опыт возведения и эксплуатации сооружений в разных районах с толщами мерзлых пород. Он опроверг поверхностные представления о причинах деформаций зданий, построенных на так называемых вечномерзлых грунтах.

Наблюдая за деформациями и нередкими разрушениями зданий, промышленных сооружений и коммуникаций, возведенных в районах с толщами мерзлых пород, проектировщики и эксплуатационники объясняли их влиянием самой «вечной» мерзлоты, считая ее своим врагом. По этому поводу авторы «Оснований механики мерзлых грунтов», изучив материалы «строительного опыта в условиях вечной мерзлоты» и свойства предварительно изученных ими мерзлых оснований, отметили следующее: «Известно, что разрушения сооружений, возводимых на вечной мерзлоте, возникают главным образом от осадок, происходящих вследствие оттаивания вечной мерзлоты, которые в десятки раз превосходят деформации этих же грунтов, но при отрицательных температурах». Таким образом, «вечная» мерзлота — это друг строителей. Опасна не мерзлота, а многолетние увеличения приходов тепла в почвенно-грунтовый комплекс. Иначе говоря, причиной разрушения большинства сооружений, возведенных на «вечной» мерзлоте, оказалось явление, не изучавшееся мерзлотоведами. Так возникла совершенно новая, исключительная по сложности и практическому значению инженерно-геокриологическая проблема, которая и была причиной развития инженерной геокриологии, когда в 30-х годах остро потребовалось предупредить осадки оттаивающих и пучение промерзающих грунтов.

Постановке проблемы изучения закономерностей и практического воздействия на процессы осадки оттаивающих грунтов способствовали исследования А. Е. Федосова, результаты которого были изложены в его монографии «Физико-механические процессы в грунтах при их замерзании и оттаивании» (1935), не потерявшей до сих пор своего научного и практического значения. Осадки оттаивающих грунтов изучались в конце 30-х и в начале 40-х годов также советским мерзлотоведом Г. И. Лапкиным. Подтверждением актуальности этой задачи служили данные опыта строительства в разных районах с толщами мерзлых пород, характеризующихся не только «высокими» (близкими к 0°С) отрицательными температурами. Многочисленные данные наблюдений за деформациями сооружений, выстроенных на толщах мерзлых грунтов, показывают, что 55% указанных деформаций объясняются оттаиванием и неравномерными осадками протаявшего основания.

Теоретические исследования закономерностей механического взаимодействия оттаивающего основания с фундаментами были подытожены лишь в 1952 г. в монографии Н. И. Салтыкова «Теоретические основы проектирования фундаментов на оттаивающем основании». Б ней шла речь о теоретическом обосновании рациональности и экономичности предпостроечного протаивания и уплотнения протаивающих грунтов — способа строительства, предложенного и реализованного вскоре геокриологом и строителем В. Ф. Жуковым (1958).

Как видим, в 50-х годах в инженерном мерзлотоведении стало преобладать направление, связанное с необходимостью изучать закономерности техногенных явлений, вызванных возможным, а часто и неизбежным увеличением положительных теплооборотов грунта. К этому же направлению относятся и задачи тепловой мелиорации мерзлых россыпей полезных ископаемых — протаивания их радиационным, фильтрационно-дренажным и дождевально-инфильтрационным способами. Механика мерзлых грунтов как первое начало инженерного мерзлотоведения к данному времени становилась все более зрелой, но не стала главной частью вновь возникшей прикладной отрасли физической геологии. Называли ее по-разному, но главное видели в новом содержании.

Новым по сравнению с инженерной геологией в геокриологии оказалось пристальное внимание к физической причине смены состояний, состава, текстуры и свойств почв и горных пород — тепловому взаимодействию их с атмосферой (космосом) и сооружениями. Не внешняя сила, а энергия и ее переходы (движение) определяют устойчивость и меру деформаций почвенно-грунтового комплекса, взаимодействующего с результатами производственной, хозяйственной деятельности. Криогенные физико-геологические процессы никоим образом не сводятся к геодинамическим, изучаемым инженерной геологией. Геодинамика никогда не включала и сейчас не включает разделы теплофизики и термодинамики.

Выходу инженерного мерзлотоведения из рамок учения о мерзлых грунтах способствовал длительный опыт застройки и освоения значительного участка Большеземельской тундры, в том числе Воркутинского месторождения каменных углей. За четверть века (1932—1957) «вечная мерзлота печорского типа» вела себя неустойчиво, оказалась буквально эфемерной под влиянием результатов производственной и коммунально-хозяйственной деятельности. Суждение о так называемой температурной устойчивости вечномерзлых грунтов, или «стационарной вечной мерзлоты», утвердившееся, казалось, к концу 40-х годов, в 50-х годах принималось уже с большими оговорками.

Углубление основ мерзлотоведения обеспечивалось в основном постановкой и развитием теплофизических (геотермофизических) исследований, а расширение — применением физико-геологических методов. Этого требовала практика освоения севера Сибири и Крайнего Северо-Востока СССР. Стали широко использоваться теплофизические методы изучения сложных экзогенных процессов — промерзания и протаивания почв и горных пород. Лишь такие методы могли быть основой прогноза и расчета глубины сезонного и многолетнего промерзания и протаивания почвенно-грунтового комплекса. В классической геотермике, исследующей температурное поле и потоки тепла ниже яруса земной коры с годовыми теплооборотами, эти процессы совсем не рассматривались.

Наибольшее отставание наблюдалось в постановке и комплексном решении проблемы пучения почвенно-грунтового комплекса при его промерзании. До середины 50-х годов это криогенное явление представлялось лишь как механическое. Физико-геологическая сущность его, т. н. гидрогеотермические процессы, изучалась лишь отдельными исследователями в основном лабораторными методами. Но практика требовала внимания к криогенному пучению — второму после осадок протаявших грунтов врагу сооружений, выстроенных на участках с глубоко промерзающими пылевато-глинистыми и торфянистыми грунтами. Из 100 сооружений, построенных на таких участках и испытавших деформации от разных причин, 30—35 деформировались под действием криогенного пучения.

В связи с потребностями практики дать инженерно-физические основы управления тепловым взаимодействием сооружений с грунтами были организованы исследования: процессов, условий и результатов теплообмена в системах атмосфера — грунт и атмосфера — сооружение — грунт; закономерностей конвективного теплообмена жидкостей и газов, движущихся в подземных выработках, трубах и каналах, с окружающими их грунтами (породами), а также в трещинах пород с их монолитными массами.

К новым проблемам изучения механического взаимодействия сооружений с грунтами отнесены следующие: взаимодействие сооружений с протаивающим и талым грунтом; взаимодействие сооружений с промерзающим грунтом, в котором определяющими являются силы пучения и перемещения грунта, смерзания с поверхностью сооружения; распределение напряжений и их изменение во времени (релаксация) в массивах пород, вскрытых горными выработками, и вблизи поверхности фундаментов (свай), заложенных в толще мерзлых пород; определение долговечности и устойчивости инженерных сооружений, в том числе в условиях действия криогенного пучения и растрескивания грунта; определение эффективности применения дополнительных технических устройств и технологических операций, способствующих повышению надежности и долговечности основных инженерных сооружений, возведенных в районах криолитозоны.

Опыт строительства в районах криолитозоны неожиданно обнаружил и выдвинул новую актуальнейшую проблему инженерной геокриологии, относящуюся к определению термической устойчивости мерзлых грунтов. Эта проблема оказалась связанной с косвенным воздействием производственной и хозяйственной деятельности на теплообмен земной коры и атмосферы, выражающимся чаще в нарушениях внешнего деятельного слоя (снежного и растительного, дерново-растительного покровов) и его загрязнениях. Такие нарушения, искажающие картину первоначально получаемых данных инженерно-геокриологических изысканий, потребовали дальнейшего развития методов геокриологического прогнозирования с экспериментальным и теоретическим изучением свойств и характеристик растительного и снежного покровов и закономерностей изменчивости их под влиянием большого многообразия факторов.

Все это, в свою очередь, потребовало решения важных задач: физико-геологического, или теплофизического и термодинамического, объяснения чувствительности природных комплексов (ландшафтов) по отношению к техногенным воздействиям; нахождения критериев обеспечения устойчивости почвенно-грунтового комплекса в характерных районах криолитозоны к указанным воздействиям; разработки методов перевода (при проектировании инженерных сооружений) исходных данных изысканий к прогнозным характеристикам криогенных пород; обоснования компенсационных мероприятий по поддержанию устойчивости почвенно-грунтового комплекса районов криолитозоны и оценки эффективности способов охлаждения и замораживания грунтов.

Проблемы инженерной геокриологии, касающиеся выбора площадок и трасс строительства, обоснования конструктивных и технологических параметров сооружений, прогнозирования и управления криогенными физико-геологическими процессами, конкретизируются и детализируются в ходе производственной деятельности различных отраслей народного хозяйства.

Таким образом, инженерная геокриология — научная дисциплина, устанавливающая научно-техническую или, в общем, ноосферную связь человека с природой и регулирующая их взаимоотношение в криолитозоне земной коры, которое в современный исторический период характеризуется, кроме интенсивного, еще и сильным экстенсивным воздействием человечества, или его своеобразной экспансией в новые области суши планеты.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: