Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

В чем  причина данной закономерности?

Вездеход  при своём движении гусеницами срывал поверхностный слой мха. Грунт оголялся и начинал оттаивать под действием солнечных лучей (см. схему 15). Мох играл роль теплоизоляции, а поскольку в слое мерзлого грунта находился лёд, то при оттаивании это повлекло за собой просадку – лавинообразное развитие деформаций (см. график е = е(s)) под собственным весом (образование оврага).

Схема 15. развития процесса просадки оттаивающего основания  с характерной компрессионной зависимостью

В лаборатории  мерзлотоведения Игарской научно–исследовательской станции был поставлен такой  своеобразный эксперимент (Далматов Б.Н.).

Помещение лаборатории выполнено непосредственно  в мёрзлом грунте. Свет из одной  лаборатории проникал через двухметровую толщу в другую лабораторию, создавая при этом некоторую освещенность. Свет проникал по прослойкам льда, отдельные включение которого составляли 20 см толщины (см. схему 16).

Схема 16. Пример проникновения лучей света по кристаллам льда через двух метровую толщу многолетней мерзлоты.

Нет сомнений, что при оттаивании такой грунт  будет обладать просадочными свойствами. При проектировании зданий на подобных грунтах необходимо пользоваться «Указаниями по расчёту осадок оттаивающих и оттаявших грунтов во времени» (1967-1976 г. НИИ оснований и фундаментов). [7]

2.2.12. Образование морозобойных трещин в деятельном и вечномёрзлом слоях грунта

При промерзании  оголённых от снега поверхностей грунта (резкое понижение температуры) происходит его объемное уменьшение, сопровождающие часто образование  клинообразных щелей (трещин). Глубины  этих щелей – трещин достигают  нескольких метров, а ширина раскрытия – 10…15 см (см. схему 17). Морозобойные трещины пересекают не только деятельный слой, но проникают и в многолетнюю мерзлоту. В трещины с течением времени проникает вода, которая затем превращается в лёд, а это способствует дальнейшему росту образовавшейся морозобойной трещины.

Схема 17. развития явлений образования морозобойных трещин в деятельном слое грунта.

Такие морозобойные трещины приводят к  изменению глубины промерзания. Могут нанести ущерб дорожному  полотну, зданиям, инженерным сетям. [7] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА III

Многолетняя мерзлота и современный  климат

На исходе XX века проблема изменений климата в сторону глобального потепления стала одной из центральных, волнующих мировую общественность. Повышение температуры воздуха большая часть ученых-климатологов связывает со все возрастающими промышленными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, метана, и других газов, вызывающих парниковый эффект. Еще недавно, всего несколько лет назад, ряд крупных климатологов прогнозировал повышение температуры воздуха на Севере в начале XXI века на 10-15 градусов Цельсия. Ученый-уфолог А.К.Прийма даже предсказывал, что при таком резком потеплении климата треть человечества может погибнуть от засух и катастроф.

Анализ  метеорологических данных по ряду стран  Северного полушария (Россия, Канада, США-Аляска, Китай) подтверждает, что в последние 25-30 лет действительно происходит потепление климата, хотя и более умеренное. Повышение температуры воздуха за этот период в большинстве регионов России составляет 1-1,2 градуса Цельсия. По данным Американского геофизического союза, за 1991-1997 годы глобальная температура воздуха повысилась на 0,62 градуса Цельсия. В последние 3-4 года потепление климата мог почувствовать каждый россиянин средней полосы нашей страны: здесь жаркие и сухие летние сезоны и мягкие зимы следовали друг за другом. Нашим современникам особенно запомнится лето 1999 года, сценарий которого развивался по М.Е.Салтыкову-Щедрину, точно как в городе Глупове во время правления градоначальника Фердыщенки, когда "с самого вешнего Николы, с той поры, как начала входить вода в межень, и вплоть до Ильина дня не выпало ни капли дождя... небо раскалилось... пахло гарью... травы и всходы огородных овощей поблекли..." [8]

Люди  задались вопросом - почему это происходит и что будет дальше? Глуповцы видели причину возникшего несчастья в  распутстве Фердыщенковой любовницы  Аленки. К сожалению, в наши дни  высокообразованные специалисты, владеющие  арсеналом современных математических методов и быстродействующей компьютерной техникой, также пока не могут уверенно объяснить, что случилось с климатом Земли, будет ли он намного теплее в XXI веке по сравнению с XX, в чем причины глобальных климатических изменений? В наши дни заговорили о смещении полюсов и даже о натовских бомбардировках Югославии, мол, виноваты они. Потепление климата приводит, в свою очередь, к оттаиванию вечной мерзлоты и освобождению газов (особенно метана), захороненных в мерзлоте, и их дополнительному поступлению в атмосферу. Не случайно в газетных сообщениях последних лет появились предостерегающие заголовки: "Метановая бомба в вечной мерзлоте". Что это - реалии или фантазии? Многочисленные исследования по проблеме глобального потепления климата проводились и проводятся в рамках тематических планов институтов, государственных и международных программ.

Россиян проблема ожидаемых изменений климата  интересует или должна интересовать особо: как никак более 60% ее огромной территории занято многолетней мерзлотой, которая зависит от климата, чутко реагирует на малейшие его изменения. [8]

Хозяйственное значение области многолетней мерзлоты, или криолитозоны, как ее называют мерзлотоведы, трудно переоценить. Это - стратегический тыл экономики России, ее топливно-энергетическая база и валютный цех. Северный край страны населен крайне скудно. На огромных просторах арктических холодных пустынь, тундры, лесотундры, тайги и горных степей, на равнинах, плоскогорьях и в горах на один квадратный километр приходится менее одного человека. В Ямало-Ненецком национальном округе этот показатель равен 0,6 чел. на кв. км, в Корякии и на Чукотке - 0,1-0,2, а в Эвенкии и на Таймыре и вовсе 0, 03-0,06. [8]

Тем не менее нельзя забывать, что в пределах криолитозоны России сосредоточено  более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты. В настоящее время хорошо разработаны методы прогнозирования последствий строительства зданий и сооружений на вечной мерзлоте. Однако не только деятельность человека меняет мерзлотные условия. В гораздо больших масштабах оказывают влияние на мерзлые толщи труднопредсказуемые изменения климата. [8]

Прогрессивное оттаивание мерзлых пород может  обернуться катастрофическими последствиями. Дело в том, что верхние горизонты  вечномерзлых пород мощностью от 2-5 до 30-50 м и более содержат лед в виде мелких линзочек и жилок, а также крупных залежей в виде клиновидной решетки (полигональной в плане) или пластовых залежей мощностью до 30-40 м. На некоторых участках северных равнин лед составляет до 90% объема мерзлых пород (см. рис. 2).

Рис.2. Крупные  ледяные жилы в вечномерзлых породах.Хребет Кулар, Северная Якутия 

Оттаивание  льдонасыщенных пород будет сопровождаться просадками земной поверхности и  развитием опасных мерзлотных (криогенных) геологических процессов: термокарста, термоэрозии, солифлюкции и др. Целые регионы с низкими абсолютными отметками поверхности окажутся затопленными морем. Возникнет угроза разрушения зданий и инженерных сооружений, возведенных с сохранением мерзлого основания. Такие последствия потепления климата станут разорительными для экономики.

Мерзлотоведы  в состоянии количественно оценить  грядущие изменения вечной мерзлоты на любой срок времени и предотвратить  многие вредные их последствия, свести к минимуму затраты на стабилизацию мерзлотной обстановки, но только в том случае, если достоверно известны исходные климатические параметры. Загвоздка в том, что климатические прогнозы еще далеки от совершенства, что объясняется сложной природой изменений погоды и климата. Климат постоянно претерпевает естественные изменения. В 1625 г. сэр Фрэнсис Бэкон обратил внимание на то, что кроме суточных и сезонных изменений метеорологических элементов имеются еще многочисленные многолетние циклы их изменения. В 1957 г. Дж.К.Чарлсуэрт уже насчитывал около 150 циклов колебаний климата различной продолжительности. А.С.Монин и Ю.А.Шишков выделяют миллиардолетние циклы, циклы продолжительностью в сотни и десятки миллионов лет и более мелкие (в историко-геологическом понимании) колебания с периодом от десятков тысяч до десятков лет. Хорошо известны короткопериодные колебания метеорологических элементов: 9-14-летние, 5-6-летние и др. Все разнопериодные циклы изменения климата и погоды накладываются друг на друга и создают сложный интегральный ход изменения метеорологических элементов. В последние два-три десятилетия на естественные климатические циклы все заметнее стали накладываться направленные изменения, связанные с техногенезом.

К сожалению, достоверность и оправдываемость  долгосрочных метеорологических прогнозов пока оставляют желать много лучшего. В итоге результаты прогнозов климата получаются разноречивыми, что, в свою очередь, вызывает неоднозначность в мерзлотных прогнозах. Различаются сценарии значительного потепления климата области вечной мерзлоты в XXI веке (М.И.Будыко, О.А.Анисимов, М.К.Гаврилова, Ф.Э.Нельсон) и умеренного потепления (Е.П.Борисенков, А.В.Павлов), имеется даже сценарий похолодания (Н.А.Шполянская). Сценарии значительного потепления климата распространяются на территорию вечной мерзлоты лишь с учетом самых общих ее свойств. По М.К.Гавриловой, к середине грядущего столетия среднегодовая температура воздуха в Сибири и на Дальнем Востоке повысится на 4-10 градусов Цельсия, вследствие чего вечная мерзлота будет оттаивать и со временем сохранится только в высоких горах и на равнинах севера Восточной Сибири и Дальнего Востока. О.А.Анисимов и Ф.Э.Нельсон считают, что увеличение глобальной температуры воздуха на 2 градуса Цельсия приведет к полному оттаиванию мерзлых пород на 15-20 % территории криолитозоны. Метеорологические данные за последние 10-15 лет показывают, что экстремальные сценарии изменения климата не оправдываются, потепление идет, но более скромными темпами. [8]

При обосновании  сценариев умеренного потепления климата, помимо данных метеостанций, используются также результаты наблюдений на геокриологических (мерзлотных) стационарах, где одновременно с метеорологическими измерениями исследуются тепловой режим грунтов, сезонное промерзание - протаивание и мерзлотные процессы (А.В.Павлов). Такое сочетание повышает достоверность мерзлотно-климатических прогнозов. Остановимся на этой проблеме подробнее.

До недавнего  времени сеть метеостанций на севере России была достаточно разветветвленной; продолжительность метеорологических  измерений в нашей стране достигает 180 лет. Кроме того, к началу 1990 г. здесь существовало около 25 геокриологических стационаров - опорных пунктов мониторинга криолитозоны.

При изучении многолетних колебаний современного климата необходимо осреднять метеорологические данные за ряд соседних лет, чтобы исключить случайные вариации. Наиболее часто выбирают период осреднения в 10 лет.

Можно выделить два периода с отчетливо  выраженным повышением температуры  воздуха на Севере: с конца XIX века по 1940-е годы XX века (этот период называется "потеплением Арктики") и с середины-конца 1960-х годов до настоящего времени (схема 19). Последнее (современное) потепление пока не достигает размеров "потепления Арктики". Более того, в начале 1990-х годов на ряде арктических метеостанций наблюдалось заметное похолодание. Однако последующие годы оказались достаточно теплыми, что явилось причиной сохранения общей тенденции потепления климата в наши дни.

Схема 19. Отклонение средних скользящих 10-летних значений среднегодовой (1), среднелетней (2) и среднезимней (3) температур воздуха от нормы в Салехарде (север Западной Сибири)

Темп повышений  среднегодовой температуры воздуха  за последние 25-30 лет составляет 0,02-0,03 градуса Цельсия в год в  условиях Европейского Севера, 0,03-0,07 - на севере Западной Сибири и 0,01-0,08 градуса Цельсия в год - в Якутии. Само повышение температуры воздуха за этот период изменяется от 0,4 до 1,8 градуса Цельсия. Потепление климата обусловлено главным образом повышением зимней температуры воздуха.

Если  тенденция к климатическому потеплению сохранится в первой половине XXI века, можно ожидать повышение среднегодовой температуры воздуха к 2020 году на 0,9-1,5 градуса Цельсия и к 2050 году на 2,5-3 градуса Цельсия. Атмосферные осадки к этим же годам возрастут на 5 и 10-15 %, соответственно.