Криогенные процессы и явления, проблемы проектирования на многолетнемерзлых грунтах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.276.012

Сенновский А.Ю.

студент,

кафедра «Трубопроводный транспорт», ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»,

Самара Sennovskii A. Yu. Student,

Department of "Pipeline Transport", FSBEI HE "Samara State Technical University",

Samara

E-mail: sennovsky95@gmail.ru

Криогенные процессы и явления, проблемы проектирования на многолетнемерзлых

грунтах

Cryogenic processes and phenomena, design problems on permafrost soils

Аннотация: В статье описываются криогенные процессы и явления в многолетнемерзлых грунтах, а также причины их возникновения. Приведены решения проблем, возникающих при проектировании зданий и сооружений в арктических условиях.

Abstract: the article describes cryogenic processes and phenomena in permafrost soils, as well as the causes of their occurrence. Solutions to problems arising in the design of buildings and structures in Arctic conditions are given.

Ключевые слова: ММГ; криогенные явления; криолитозона; глобальное потепление.

Keywords: MMG; cryogenic phenomena; cryolithozone; global warming.

Большая часть всех природных ископаемых, добываемых в России сосредоточена в районах крайнего севера. Стоит отметить, что в последние годы изменение климата, а именно повышение температуры воздуха, техногенные воздействия на природу, становятся причиной явления деградации арктической мерзлоты и появления многолетнемерзлых грунтов (ММГ).

Многолетнемерзлые грунты (ММГ) - это грунты, находящиеся в мерзлом состоянии от 3х и более лет, свойства которых изменяются в зависимости от температурного режима окружающей среды [1].

Изменение температурного режима активизирует опасные криогенные процессы и явления, негативно отражающиеся на прочностных характеристиках конструкций оборудования и строений, при проектировании которых возможность изменения климата в Арктике, и, как следствие, уменьшение прочности грунтов не учитывалось.

На сооружениях нефтегазодобывающей отрасли, расположенных в северных районах все чаще регистрируются аварийные случаи, повлекшие за собой огромный ущерб для окружающей среды. Ученые связывают эти инциденты именно с деградацией вечной мерзлоты. Изменение климата, причем не только температуры, но и, например, снежности и продолжительности теплого сезона, влияют на эти сооружения и их характеристики [2].

Еще одним фактором, в результате которого изменяются физико-химические свойства многолетнемерзлых грунтов, и увеличивается число аварий, является негативное взаимодействие нефтегазовых сооружений и ММГ. В результате техногенных воздействий на ММГ могут возникнуть следующие криогенные процессы и явления:

- морозное пучение появляется в результате многолетнего промерзания пород (в грунте кристаллизуются все новые и новые объемы воды), и представляет собой неравномерное увеличение объема грунта, за много лет формируются крупные бугры высотой до 30 -40 метров. Происходит выпучивание фундаментов. В борьбе с данным явлением применяют осушение или замену пучинистых грунтов, грунтовые насыпи, проектируют глубину заложения фундамента ниже слоя промерзания.

- криогенное выветривание пород вызвано многократным циклическим промерзанием и оттаиванием, попадающей в трещины воды, под воздействием сезонных изменений температуры изменяется напряженное состояние породы.

Это явление приводит к образованию поверхностей выравнивания и нагорных террас.

- морозобойное растрескивание - изменение напряженных состояний пород в массиве под воздействием сезонного изменения температуры. В результате образуются вертикальные трещины, в которых вода замерзает в виде клиновидных жил, возникает полигональный микрорельеф. Сеть таких микроразрывов грунта представляет опасность для подземных сооружений и коммуникаций, которые при увеличении величины трещин разрушаются. Для прекращения растрескивания подсыпают и осушают территории, используют устройства для задержания снегового покрова.

- неледеобразование появляется в зимний период после замерзания периодически изливающихся на поверхность вод различного характера (реки озера, подземные источники, хозяйственно бытовые воды), образуются наледи, наледные поляны. Наледи мешают эксплуатации дорог, трубопроводов, зданий... Борются с образованиями наледи с помощью следующих мер: общий дренаж, мерзлотные пояса, заградительные сооружения, подъём насыпей, утепление русла водотоков, их углубление, спрямление и расчистка, обогрев водопропускных труб.

- термокарст - многолетнее оттаивание льдистых пород и подземных залежей льда. В результате происходит размокание и растрескивание породы, появляются образования в рельефе в виде вороное, провальных ям, «блюдец» западин, котловин, озер. Опасность для инженерных объектов заключается в просадке оттаивающих грунтов оснований. Здания и сооружения строят либо на насыпных грунтах, либо на сваях, забитых ниже глубины деятельного слоя, как в случае с явлением морозного пучения.

- курумбообразование представляет собой скопление и медленное продвижение вниз по склону грубообломочного каменного материала (скорость продвижения около 3-4 сантиметров в год), которое происходит вследствие криогенного и термогенного выпучивания обломков. Курумы затрудняют эксплуатацию и строительство зданий и сооружений, медленно

спускаясь с гор. При проектировании объектов следует курумы обходить или предусматривать мостовые переходы, потому что остановить каменный поток практически невозможно.

- солюфликация - сплывание и течение оттаивающих пород на склонах, происходит из-за разрушения структурных связей в породах и уменьшения их прочности в процессе оттаивания. Основными мерами борьбы с явлением стали осушение талого слоя, посадка деревьев и кустарников для укрепления склонов, строительство подпорных стен.

- оползни, обвалы, осыпи представляют собой движение и обрушение определенного объема талых пород по подстилающей поверхности мерзлых отложений на склоне. От этих явлений прежде всего нужно защищать сооружения, расположенные на участках крутых склонов. Основным методом борьбы стало строительство подпорных стен.

- лавины, сели - скопление и перемещение больших снежных или снежно-грязевых масс вниз по склону, вызванное нарушением равновесия в снежном покрове или резким увеличением поверхностного стока на склоне. В качестве мер безопасности сооружений используется строительство подпорных стен.

- термоэрозия - разрушение и перенос водными потоками талых и мерзлых пород, в результате теплового и механического воздействия на грунт. Образуются промоины и овражные сети. К противоэрозионным мероприятиям относятся засыпка оврагов, строительство дамб-запруд, укрепление склонов растительностью.

- термоабразия - это размывание и обрушение пород на береговых склонах, происходит в следствие температурного и механического воздействия на грунты водной массы в береговой зоне. Процесс представляет большую экологическую опасность, в связи с отсутствием методов борьбы.

- ледники и снежники - водноледяной сток, накопление и движение льда и снега, появляется из-за преобладания снегонакопления над таянием.

- ветровая эрозия и аккумуляция представляет собой выдувание, перенос и отложение частиц морозных и талых пород под воздействием ветров, главной причиной которых является слабая закрепляющая роль растительности. В качестве основного метода борьбы, применяют насаждение растений, обустройство противоэрозионных террас.

Данные явления и процессы могут проявляться как отдельно, так и комбинированно, что увеличивает перечень мер, направленных на борьбу с ними. Многие из этих процессов необратимы и способны негативно отразиться на работе нефтегазовых сооружений, привести к остановке или аварии, что повлечет за собой огромные экологические и экономические последствия.

Поэтому при проектировании и строительстве сооружений, а также при усовершенствовании существующих конструкций следует учитывать возможное изменение температуры среды на весь период строительства и эксплуатации, которое связано не только с техногенным воздействием, но и с возможностью глобального потепления.

Однако, существующие методики оценки свойств многолетнемерзлых грунтов в полной мере не отражают специфику их физических свойств, влияющих на несущую способность в качестве оснований фундаментов. В связи с вышеизложенным, основным решением проблемы является увеличение достоверности расчетов напряженно-деформированного состояния ММГ при проектировании, путем разработки новой методологии определения таких свойств многолетнемерзлых грунтов, как температура грунта, влажность незамерзшей воды, удельные и касательные силы морозного пучения, теплофизические характеристики. Нормативная база должна включать в себя требования по расчету температурного режима ММГ с учетом изменений климата, главную важность этот аспект представляет для сооружений с длительным сроком эксплуатации. Все это увеличит качество расчетов строительства задний и сооружений в условиях криолитозоны, что, в

свою, очередь, поможет минимизировать негативное воздействие криогенных процессов и явлений на возведенные конструкции.

Список литературы

1. Магистерская диссертация «Исследование работы нефтепроводов проложенных на участках многолетнемерзлых грунтов», ФГАОУ ВО Национальный исследовательский томский политехнический университет, 2018 год.

2. Статья «Деградация вечной мерзлоты: чем она грозит северным городам и предприятиям», BBC NEW русская служба, 21 июня 2020.