Факультет

Студентам

Посетителям

Скрытые и явные силы холода

Остаточные формы древней мерзлоты, и прежде всего системы крупных клиновидных образований, создали значительную неоднородность тех горизонтов, в которых они расположены. В таких грунтах через 10—15 м обнаруживаются клинья или структуры, ширина которых составляет 3—5 м, и заполняющий их материал существенно отличается от основной части грунтов — вмещающих отложений.

Эти различия могут проявляться в самых разнообразных сочетаниях. В плотных моренных суглинках встречаются песчаные клинья. Такие полигональные образования представляют собой идеальные условия для сбора воды по всему участку, так как фильтрация воды в песках происходит намного быстрее. Кроме того, различные жилы полигонов связаны между собой и образуют разветвленную сеть сообщающихся полостей.

Если через такой участок прокладывается полотно дороги или он подрезается на достаточную глубину откосом фундамента, из разрезанных, нарушенных жил может начаться поступление плывуна — смеси песка и воды, а на остальной площади участка образуются понижения и провалы. Соответственно дорога на таком участке может со временем нарушиться и превратиться в серию рытвин и канавок, которые особенно «оживают» весной и осенью.

Еще сильнее сказываются различия грунтов полигональных систем, если на площади их распространения заложен карьер добычи глины для кирпича. Вмещающие грунты — большая часть массива участка—являются хорошим материалом для производства кондиционного кирпича, но до 1/3 общего объёма грунтов составляет заполняющий структуры материал, который не следовало бы использовать в производстве.

В Ярославской области, у села Шестихино, в карьере кирпичного завода стенки достигают высоты 6—7 м. В тех случаях, когда плоскость стенки карьера располагалась параллельно какой-либо стороне полигональной системы, различия в литологии и плотности грунтов заполняющего и вмещающего материала сказывались так существенно, что обрушивались стенки по всей высоте, захватывая сотни кубических метров грунта. Сходные явления отмечались и в других карьерах и достаточно часто происходят на высоких береговых обрывах рек. Во всех случаях полигональные системы проявляются в качестве ослабленных зон, активность которых развивается при нарушении естественного залегания грунтов. Так, рост оврагов в области современных многолетнемерзлых пород может происходить с очень большими скоростями: десятки метров за летний период.

Заложение современной овражно-эрозионной сети в средней полосе России во многих случаях обусловлено неоднородностью грунтов, возникшей при формировании древних полигональных систем. Линии стока дождевых вод наследуют канавки-ложбины древних полигонов, врезы верховьев оврагов и боковых отвершков также могут преимущественно развиваться по ослабленным зонам ложбин. Такие овраги легко определяются при дешифрировании аэрофотоснимков и при полевых наблюдениях, когда выявляются системы отвершков, заложенных через 10—15 м. В подобных случаях реликты мерзлоты могут определять более быстрое развитие овражноэрозионной сети. От знания причин и закономерностей развития этих явлений существенно зависит успешная борьба и предотвращение разрастания оврагов.

В средней полосе Русской равнины и более южных районах встречаются округлые, пониженные, часто заболоченные или заросшие лесом формы рельефа. Их происхождение являлось предметом многочисленных и длительных научных дискуссий. С учетом существования древней области многолетнемерзлых пород происхождение таких форм скорее всего также может быть обусловлено остаточными проявлениями мерзлоты, но на этот раз преимущественно древними термокарстовыми процессами.

Даже современный почвенный покров и его развитие зависят во многих районах от мерзлотных реликтов. В зонах ложбин или западин почвы могут существенно отличаться от тех, которые сформировались на блоках. В ложбинах полигональных систем подзолистые горизонты почв часто увеличены и достигают 0,5—0,7 м против 0,2—0,3 м на блоке; существенно колеблются мощности гумусового горизонта, особенно в центральных и южных провинциях Русской равнины.

Соответственно различным элементам полигонов присущи и различные режимы увлажнения, накопления гумусированного материала и т. д. Эти различия также хорошо видны на аэрофотоснимках. Приведенные примеры являются лишь частью тех направлений, которые связаны с проблемами древней мерзлоты и разрабатываются в настоящее время. Несомненно, что дальнейшее изучение проявлений древней мерзлоты позволит выявить много новых фактов, имеющих практическое значение.

Изучение реликтовой мерзлоты дает обоснование для прогноза изменений, которые могут проявиться при деградации или разрушении современных многолетнемерзлых пород. Перечисленные проявления древнего холода не представляются особенно масштабными и угрожающими для хозяйственного освоения территорий. Но из этого совершенно не следует, что при протаивании многолетнемерзлых пород в пределах современной области их распространения сопутствующие процессы и изменения поверхности, ландшафтов и многих свойств грунтов также будут протекать без осложнений. Необходимо помнить, что со времени разрушения древней области мерзлоты и ее деградации прошли не десятки, не сотни, а многие тысячи лет, в течение которых многочисленные и разнообразные процессы «стирали» и ослабляли изменения, вызванные мерзлотой и особенно последовавшей затем ее деградацией.

В северную и среднюю полосы России холод приходит ежегодно, принося с собой долгие снежные зимы, суровые морозы. Он сковывает льдами моря, озера и реки, проникает в толщу грунтов. Проникновению холода вглубь сильно препятствуют снежный и растительный покровы, поэтому на тех местах, где снег сдувается ветром, глубина зимнего промерзания может достигать значительных величин. Даже в настоящее время на территории европейской части СССР верхние слои земли промерзают до глубин от 0,5 м в южных районах и до 2 и более метров на севере. В центральных районах промерзание грунтов зимой составляет 1,5—1,7 м и непременно должно учитываться строителями. При неправильной или недостаточно глубокой закладке фундаментов зданий, различных свай, опор, столбов может произойти их вымораживание и разрушение. Известны случаи, когда через несколько лет после строительства заборы, укрепленные на массивных железобетонных столбах, «ложились», нередко металлические и бетонные столбы начинали наклоняться и т. д. Неожиданные факты были выявлены при оценке устойчивости опор линий высоковольтных электропередач. Их основания имеют надежные фундаменты, причем железобетонные блоки закладываются на глубину 3 и более метра. При проведении сверхточной нивелировки (измерении высот) оказалось, что даже оперы подчиняются общему закону, пусть на десятые доли миллиметра, но все-таки смещаются силами холода.

Конечно, при небольшом строительстве, сооружении одноэтажного летнего домика можно положить опоры прямо на землю или сделать фундамент с небольшим заглублением. При этом весь домик зимой чуть-чуть приподнимется, а весной опять сядет на свое место.

Процессы, обусловленные низкими температурами, могут серьезно нарушить покрытие дороги или взлетную полосу аэродрома. Многими трещинами покрыт асфальт в больших городах, а в бетонных покрытиях делают специальные температурные швы. Низкие температуры воздействуют на железнодорожные рельсы, трубопроводы; даже металлические детали машин, предназначенных для работы в районах с низкими температурами, должны соответствовать специфическим условиям.

С помощью искусственного холода стали укреплять грунты на некоторых участках многолетней мерзлоты. В этом отношении очень показательна история строительства жилых домов и прочих сооружений в области многолетнемерзлых пород. Первоначально пытались «проходить» вечномерзлый слой, поставить основание на немерзлые породы или скальное основание. Во многих случаях это оказывалось трудновыполнимым.

Применяли искусственные насыпи, привозили огромное количество грунта и камня. И только после многих горьких опытов появилась идея: не нарушать мерзлоту, а, наоборот, закладывая фундаменты, понижать температуру среды, что при сохранении мерзлоты и наличии льда существенно повышает прочность грунтов. Так дома «отделились» от мерзлой поверхности, под зданием свободно циркулировал воздух, и температурный режим мерзлоты не нарушался. Однако и этого оказалось недостаточно. Были изобретены термосваи особой конструкции, с искусственным охлаждением изнутри, позволяющие заморозить грунт в радиусе 1,5—2 м вокруг. Термосваи сначала внедряли в толщу грунта, а затем накрепко примораживали. Внутри таких систем циркулирует хладоагент (фреон, аммиак), или используются так называемые парожидкостные термосваи. В настоящее время применение термосвай стало настолько обычным делом, что на них опираются целые города с многоэтажными домами, даже дороги, мосты, нефтепроводы и другие сооружения. Известно, что в прибрежных мелководных зонах морей буровые вышки устанавливаются на искусственно созданных островах, возвышающихся над волнами. В северных условиях, возможно, будет рентабельным на глубинах до 20 м сооружение островков путем намораживания грунта на предварительно охлажденное дно. По расчетам американских инженеров, стоимость таких намороженных островков для разведочного бурения нефти составит от 5 млн. до 17 млн. долл.

Люди давно научились получать низкие отрицательные температуры, направленные потоки холода. Например, искусственно намораживают ледяной покров, увеличивая толщину льда на реках и озерах, чтобы создать крепкую, надежную дорогу. Но самое серьезное применение искусственный холод имеет, конечно, при строительстве. Оказалось, что мерзлота может быть незаменимой помощницей при прокладке линий метро, стволов шахт, рытье котлованов для фундаментов зданий и во многих других случаях.

Успешным оказался опыт по сооружению подземных хранилищ газа в толщах мерзлых пород с помощью дополнительного охлаждения. Охлаждение больших участков грунтов проектируется применить при строительстве объектов Вилюйской электростанции и на других стройках.

Одно из самых серьезных препятствий при подземных горных работах — встреча с сильно увлажненными песками — плывунами. Мощные холодильные агрегаты превращают текучую массу в твердый монолит, из него создаются оградительные перемычки, или стенки, которые поддерживают до тех пор, пока не будет пройден участок плывунов.

Локальные участки временной мерзлоты теперь регулярно возникают на строительных площадках и в шахтах Москвы и Подмосковья, Курской магнитной аномалии, Ленинграда и других городов.

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



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: