Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

     Таким образом, отмеченные температурно-деформационные  явления в деятельном и многолетнемёрзлом  слоях грунта в большой степени  зависят от изменения внешних  факторов, вносимых человеком при  освоении данной территории. [7] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА II

Многолетняя мерзлота на территории России и современное  оледенение

2.1. Современное оледенение  на территории  России

Современные ледники занимают на территории России небольшую площадь, всего около 60 тыс. км², однако в них заключены большие запасы пресной воды. Они являются одним из источников питания рек, значение которого особенно велико в годовом стоке рек Кавказа.

Основная  площадь современного оледенения (более 56 тыс. км²) находится на арктических островах (см. приложение таблица 1), что объясняется их положением в высоких широтах, обусловливающим формирование холодного климата.

Нижняя  граница нивальной зоны опускается здесь почти до уровня моря. Оледенение сосредоточено в основном в западных и центральных районах, где выпадает больше атмосферных осадков. Для островов характерно покровное и горно-покровное (сетчатое) оледенение, представленное ледниковыми щитами и куполами с выводными ледниками. Самый обширный ледниковый покров расположен на Северном острове Новой Земли. Длина его по водоразделу составляет 413 км, а наибольшая ширина достигает 95 км.

При движении к востоку все бoльшая часть  островов остается свободной ото  льда. Так, острова архипелага Земли Франца-Иосифа почти сплошь покрыты ледниками, на Новосибирских островах оледенение характерно лишь для самой северной группы островов Де-Лонга, а на острове Врангеля покровного оледенения нет — здесь встречаются лишь снежинки и небольшие леднички.

Толщина ледниковых покровов арктических островов достигает 100-300 м, а запас воды в них приближается к 15 тыс. км², что почти в четыре раза больше годового стока всех рек России. [5]

Оледенение  горных областей России и по площади, и по объему льда значительно уступает покровному оледенению арктических  островов. Горное оледенение характерно для наиболее высоких гор страны — Кавказа, Алтая, Камчатки, гор Северо-Востока, но встречается и в невысоких горных массивах северной части территории, где снеговая граница лежит низко (Хибины, северная часть Урала, горы Бырранга, Путорана, Хараулахские горы), а также в районе Маточкина Шара на Северном и Южном островах Новой Земли.

Многие  горные ледники лежат ниже климатической  снеговой границы, или "уровня 365", на котором снег сохраняется на горизонтальной подстилающей поверхности в течение  всех 365 дней в году. Существование ледников ниже климатической снеговой границы становится возможным за счет концентрации больших масс снега в отрицательных формах рельефа (часто в глубоких древних карах) подветренных склонов в результате метелевого переноса и схода лавин.

Площадь горного оледенения России немногим превышает 3,5 тыс. км². Наиболее широко распространены каровые, карово-долинные и долинные ледники. Большая часть ледников и площади оледенения приурочена к склонам северных румбов, что обусловлено не столько условиями снегонакопления, но и большей затененностью от солнечных лучей (инсоляционными условиями). По площади оледенения среди гор России первое место занимает Кавказ (994 км²). За ним следует Алтай (910 км²) и Камчатка (874 км²). Менее значительное оледенение характерно для Корякского нагорья, хребтов Сунтар-Хаята и Черского. Оледенение других горных районов невелико. Самыми крупными ледниками России являются ледник Богдановича (площадь 37,8 км², протяженность 17,1 км) в Ключевской группе вулканов Камчатки и ледник Безенги (площадь 36,2 км², протяженность 17,6 км) в бассейне Терека на Кавказе. [5]

Ледники чутко реагируют на колебания  климата. В XVIII — начале XIX вв. начался  период общего сокращения ледников, который  продолжается и поныне. [5]

Внутренние  воды России представлены не только скоплениями  жидкой воды, но и воды в твердом  состоянии, образующей современное  покровное, горное и подземное оледенение. Область подземного оледенения называют криолитозоной (термин введен в 1955 г. советским мерзлотоведом П.Ф. Швецовым; ранее для ее обозначения использовался термин "вечная мерзлота").

Криолитозона  — верхний слой земной коры, характеризующийся  отрицательными температурами горных пород и наличием (или возможностью существования) подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.

В условиях длительной холодной зимы при относительно небольшой мощности снежного покрова  горные породы теряют много тепла и промерзают на значительную глубину, превращаясь в твердую мерзлую массу. Летом они не успевают полностью оттаять, и отрицательные температуры грунта сохраняются даже на небольшой глубине в течение сотен и тысяч лет. Этому способствуют огромные запасы холода, которые накапливаются за зиму в районах с отрицательной среднегодовой температурой. Так, в Средней и Северо-Восточной Сибири сумма отрицательных температур за период залегания снежного покрова составляет -3000...-6000°С, а летом сумма активных температур составляет всего 300-2000°С.

Горные  породы, длительное время (от нескольких лет до многих тысячелетий) находящиеся  при температурах ниже 0°С и сцементированные замерзшей в них влагой, получили название многолетней, или вечной мерзлоты. Содержание льда, т.е. льдистость многолетней мерзлоты может быть весьма различной. Она колеблется от нескольких процентов до 90% общего объема породы. В горных районах льда обычно бывает мало, зато на равнинах подземный лед нередко оказывается главной горной породой. Особенно много ледяных включений содержится в глинистых и суглинистых отложениях крайних северных районов Средней и Северо-Восточной Сибири (в среднем от 40-50% до 60-70%), отличающихся наиболее низкой постоянной температурой грунта.

Многолетняя мерзлота — необычное явление природы, на которое обратили внимание еще землепроходцы в XVII в. О ней упоминал в своих работах В.Н. Татищев (начало XVIII в.). Первые научные исследования мерзлоты были проведены А. Миддендорфом (середина XIX в.) во время его экспедиции на север и восток Сибири. Миддендорф впервые произвел измерения температуры мерзлого слоя в ряде пунктов, установил его мощность в северных районах, высказал предположения о происхождении мерзлоты и причинах ее широкого распространения в Сибири. Во второй половине XIX в. и начале XX в. мерзлота изучалась попутно с изыскательскими работами геологами и горными инженерами. В советские годы проводились серьезные специальные исследования многолетней мерзлоты М.И. Сумгиным, П.Ф. Швецовым, А.И. Поповым, И.Я. Барановым и многими другими учеными. [6]

Область распространения многолетней мерзлоты в России занимает около 11 млн км², что составляет почти 65% территории страны (см. рис.1).

Рис. 1. Распространение  многолетней мерзлоты по территории России

Южная ее граница проходит по центральной  части Кольского полуострова, пересекает Восточно-Европейскую равнину близ полярного круга, по Уралу отклоняется  к югу почти до 60° с.ш., а вдоль  Оби — к северу до устья Северной Сосьвы, далее проходит по южному склону Сибирских Увалов к Енисею в районе Подкаменной Тунгуски. Здесь граница круто поворачивает к югу, проходит вдоль Енисея, идет по склонам Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке граница мерзлоты идет от Амура к устью Селемджи (левого притока Зеи), затем по подножию гор левобережья Амура к его устью. Мерзлота отсутствует на Сахалине и в прибрежных районах южной половины Камчатки. Пятна мерзлоты встречаются южнее границы ее распространения в горах Сихотэ-Алиня и в высокогорьях Кавказа.

В пределах этой обширной территории условия развития мерзлоты не одинаковы. Северные и северо-восточные  районы Сибири, острова азиатского сектора Арктики и северный остров Новой Земли заняты сплошной низкотемпературной многолетней мерзлотой. Южная ее граница проходит через северную часть Ямала, Гыданского полуострова к Дудинке на Елисее, затем к устью Вилюя, пересекает верховья Индигирки и Колымы и выходит к побережью Берингова моря южнее Анадыря. К северу от этой линии температура слоя многолетнемерзлых пород составляет -6...-12°С, а его мощность достигает 300-600 м и более. Южнее и западнее распространена мерзлота с островами таликов (талого грунта). Температура мерзлого слоя здесь выше (-2...-6°С), а мощность уменьшается до 50-300 м. Близ юго-западной окраины области распространения мерзлоты встречаются лишь отдельные пятна (острова) мерзлоты среди талого грунта. Температура мерзлого грунта близка к 0°С, а мощность менее 25-50 м. Это — островная мерзлота. [6]

В мерзлой  толще концентрируются большие  запасы воды в виде подземных льдов. Часть их образовалась одновременно с вмещающими породами (сингенетические  льды), другая — при замерзании воды в ранее накопившихся толщах (эпигенетические).

Большая мощность многолетней мерзлоты, находки  в ней хорошо сохранившихся мамонтов свидетельствуют о том, что многолетняя  мерзлота — продукт весьма продолжительного накопления холода в толщах горных пород. Подавляющее большинство исследователей считает ее реликтом ледниковых эпох. Современный климат на большей части территории распространения мерзлоты лишь способствует ее сохранению, поэтому малейшее нарушение природного равновесия ведет к ее деградации. Это необходимо учитывать при хозяйственном использовании территории, в пределах которой распространена мерзлота.

Многолетняя мерзлота оказывает влияние не только на подземные воды, режим и питание  рек, распространение озер и болот, но и на многие другие компоненты природы (рельеф, почвы, растительность), а также на хозяйственную деятельность человека. При разработке полезных ископаемых, прокладке дорог, строительстве, при проведении сельскохозяйственных работ необходимо тщательно изучать мерзлый грунт и не допускать его деградации. [6]

2.2. Виды многолетней мерзлоты и процессы вызванные многолетней мерзлотой на территории России

Как уже  было отмечено, примерно 65% территории России имеют вечномерзлые грунты, поэтому строительство сооружений в подобных условиях является актуальной проблемой.

Термин  вечная мерзлота следует представлять во временном периоде порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии со временем существования мерзлоты, следует рассматривать следующие структуры:

• Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет.
• Многолетнемёрзлые (м.м.), существование годы , десятки лет.
• Сезонная мерзлота, существование часы, сутки.

Существует  несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной геологии (геокриологии) известны следующие виды: сплошная мерзлота, слоистая мерзлота, островная мерзлота и линзовая мерзлота. Рассмотрим эти виды вечной мерзлоты подробнее. [7]

2.2.1.Сплошная мерзлота

Данный  вид мерзлоты встречается на крайнем  севере России.

Схема существования сплошной мерзлоты с  основными принятыми обозначениями, представлена в схеме 1.

Схема 1. существования  сплошной мерзлоты с основными принятыми  обозначениями.

2.2.2. Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты)

Данный  вид мерзлоты встречается в отдельных  местах и не имеет чёткой теории происхождения. Одной из теорий предполагается, что этот вид мерзлоты (см. схему 2) произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

Схема 2. существования  слоистой мерзлоты с основными принятыми  обозначениями.

Возможно, возникла тектоническая трещина, по которой прошла вода (тепло), и оттаял слой грунта с большей теплопроводностью.

Интересно отметить, что ещё издавна исследователи  ставили вопрос о мощности слоя многолетней  мерзлоты. Так в 1827 г. в Якутске  русский купец Фёдор Шергин (служащий Русско-Американской компании) решил  прокапать мёрзлый грунт для колодца и добыть воду. В последствии он заключил пари. Разработав примерно 100 м - мёрзлый грунт не был пройден. В результате Фёдор Шергин практически разорился. Русская Академия наук заинтересовалась этим и выделила деньги для продолжения работ - этих денег хватило ещё примерно на 15 м проходки. Таким образом, был откопан колодец глубиной H = 116,4м - за 16 лет. Этот колодец носит название «Шергинская шахта» и до сих пор находится почти в центре г. Якутска. В последующем данная шахта послужила объектом для научно-исследовательских работ. Теплотехническими расчётами была определена мощность многолетнемёрзлого слоя в данном месте, которая составила примерно 500 м. [7]