FEATURES OF CONSTRUCTION OF ENGINEERING STRUCTURES IN A PERMAFROST BREEDS
Мельник В.В.
Заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН
ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
Аннотация
В статье рассмотрены – особенности строения и свойств горных пород в областях распространения многолетнемерзлых пород, инженерно-геологические процессы, происходящие при использовании их в качестве оснований инженерных сооружений.
Ключевые слова: мерзлота, карст, пучение, консистенция.
Melnik V.V.
Laboratory Chief, Institute of Mining of Ural Branch of RAS
FEATURES OF CONSTRUCTION OF ENGINEERING STRUCTURES IN A PERMAFROST BREEDS
Abstract
The article-especially the structure and properties of rocks in areas permafrost distribution, engineering-geological processes occurring when using them as bases of engineering structures.
Keywords: Frost, karst, heaving, consistency.
Освоение минерально-сырьевой базы северных территорий, а потенциал разработки месторождений полезных ископаемых (МПИ) очень большой, влечет за собой развитие сопутствующей инфраструктуры, строительство авто и железных дорог, горнопромышленных комплексов, объектов топливно-энергетического комплекса, поселков и городов спутников.
Площадь распространения мерзлых пород в России составляет более 10 млн. км2, превышая территорию США, включая Аляску.
Несмотря на большую инвестиционную привлекательность минерально-сырьевой базы, Западно-Сибирский регион России отличается либо отсутствием, либо очень слабым развитием транспортной инфраструктуры, что осложняет разработку уже разведанных месторождений полезных ископаемых, а также проведение поисково-разведочных работ.
Развитие сети автомобильных и железных дорог является приоритетным направлением в стратегии освоения месторождений полезных ископаемых Приполярного Урала.
Строительство транспортных магистралей в районах распространения многолетнемерзлых пород затруднено в связи со сложными инженерно-геологическими условиями. Кроме распространения мерзлоты в исследуемом регионе имеют место закарстованные карбонатные породы под маломощным чехлом рыхлых отложений, наличие подрусловых сквозных и несквозных таликов в долинах рек и ручьев, развитие криогенных процессов и явлений – солифлюкции, наледообразование в долинах рек, а также на горных склонах, морозного пучения.
Объективная оценка инженерно-геологических условий территории Полярного Урала для дальнейшего ее освоения, является основным условием качественного и безопасного строительства инженерных сооружений в регионе.
Недостаток тепла, избыточное увлажнение, наличие многолетнемерзлых пород создают благоприятную обстановку для развития широкого ряда экзогенных процессов и явлений.
В соответствии с существующими классификациями на основе анализа механизма процессов, причин их развития можно выделить преобладающие группы ЭГП с основными формами проявления этих процессов в рельефе (Рисунок 1).
Кроме процессов, связанных непосредственно с многолетнемерзлыми породами на строительство автомобильных и железных дорог и других инженерных сооружений, повсеместно оказывает влияние наличие тектонически нарушенных зон, обладающих современной геодинамической подвижностью.
Рис. 1 – Экзогенные процессы, широко представленные в районах распространения многолетнемерзлых пород
На рисунке 2 представлена схема взаимодействия тектонических нарушений и геологической среды.
Рис. 2 – Взаимодействия тектонических нарушений и геологической среды
Вечная мерзлота, в соответствии с классификацией, подразделяется на три подзоны: I-1 – Северная низкотемпературная подзона сплошного распространения ММП, I-2 – Центральная низкотемпературная подзона сплошного распространения ММП и I-3 – Южная высокотемпературная подзона островного и частично-сплошного распространения ММП.
Гидротехнические, промышленные и жилые сооружения в большинстве случаев своими фундаментами опираются на вечномёрзлую толщу, почти не меняющую своих свойств во времени. Главной особенностью строительства автодорог в условиях распространения многолетнемерзлых пород является то, что основанием дорожного полотна является слой сезонного оттаивания и промерзания. Он называется деятельным (сезоннооттаивающим) слоем.
Наиболее распространенный вид деформации - пучение земляного полотна. Оно происходит вследствие объемного расширения воды в связном грунте.
Как показали исследования, проведенные для строительства автодороги от ст. Инта до Парнокского месторождения железо-марганцевых руд в Ханты-Мансийском автономном округе России (подзона I-3), весь участок попадает в область распространения карстующихся известняков, перекрытых небольшим слоем суглинков текучепластичной и текучей консистенции. Такие суглинки, согласно нормативным документам, относятся к сильно и чрезвычайно пучинистым, поэтому пучение является основным негативным фактором для сохранности дорожного полотна.
Наиболее интенсивно пучение проявляется в южной части зоны вечной мерзлоты.
В северной части, наоборот, значительные деформации (термокарстовые образования, просадки и осадки) возникают в результате протаивания грунтов деятельного слоя.
Кроме того в известняках получил свое распространение карст. Опасность карстопроявлений выражается в развитии деформационных процессов на земной поверхности. Параметры деформации поверхности зависят от глубины залегания, морфологии и степени заполнения карстовой полости. Современное развитие деформационных процессов определяется степенью изменения геомеханических и гидрогеологических характеристик массива горных пород под воздействием природной и техногенной геодинамической активности геологической среды [1]. Учитывая тот факт, что карстово-суффозионные процессы возможны только при наличии подвижной воды, основное развитие они получили в зоне островного распространения многолетнемерзлых пород (I-3), где вечная мерзлота распространена не повсеместно.
В результате процессов промерзания и оттаивания грунты любой категории изменяют свои физико-механические и прочностные свойства. Под действием цикличных нагрузок происходит изменение структуры и состояния глинистых грунтов, а также дезинтеграция скальных грунтов, сопровождающаяся развитием различных экзогенных процессов.
Мощность деятельного слоя зависит не только от климатических особенностей региона, но и от состава свойств грунтов, залегающих в приповерхностной части разреза и может варьироваться от 0,5 м до 4,0-4,5 м.
В настоящее время рекомендуется использовать грунты сезоннооттаивающего слоя в качестве основания земляного полотна по одному из следующих принципов [2]:
- первый - сохранение вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги;
- второй - частичное оттаивание мерзлых грунтов основания на величину, определяемую расчетом;
- третий - оттаивание вечномерзлых грунтов до начала строительства дороги и осушение придорожной полосы.
Строительство железных и автодорог в районах распространения криолитозоны осложняется не только климатическими, геологическими и географическими проблемами (вечная мерзлота, развитие экзогенных процессов и десятимесячная зима), проектируемые трассы путепроводов пересекают на своем протяжении множество ручьев, речек и крупных рек. Этот фактор приводит к значительному удорожанию строительства в связи с организацией мостовых переправ. Следует отметить, что русла практически всех рек и ручьев приурочены к тектоническим нарушениям, это в свою очередь полностью меняет инженерно-геологические условия строительства.
Согласно СП 11-105-97 Часть IV. «Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов» [3] кроме стандартных изысканий обязательно следует проводить геофизические исследования на всех стадиях инженерно-геологических изысканий, с целью определения состава, свойств и мощности мерзлых грунтов, а также литологического строения массива горных пород, тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости и льдистости. В большинстве случаев этот пункт не выполняется, что приводит к недооценке фактического состояния и свойств массива горных пород, залегающего в основании инженерных сооружений.
Кроме того, при строительстве сооружений I и II уровней ответственности требуется исследование геодинамической активности и параметров современных движений земной коры, но сложность, многогранность проявления и недостаточная изученность геодинамической активности порождают многозначность критериев и требований, которые не всегда отражают сущность процессов воздействия современных геодинамических движений на инженерные сооружения.
Недоучет тектонического строения, геодинамической активности тектонических нарушений в совокупности со сложными погодными и геологическими условиями областей распространения криолитозоны приводит к преждевременному разрушению инженерных сооружений, в том числе и транспортных магистралей.
Опыт проведения исследований по выбору безопасных площадок под строительство промышленных объектов Эльгинского угольного комплекса (Якутия) показал, что зоны тектонических нарушений прекрасно выявляются геофизическими методами даже в условиях распространения многолетнемерзлых пород и это надо использовать при проведении инженерно-геологических изысканий.
На этом же объекте были проведены исследования современной геодинамической активности района, что позволило выбрать оптимальное расположение промышленных объектов с учетом всех природно-техногенных факторов. В результате проведенных исследований для каждого сооружения была произведена оценка возможности его строительства и выбрано оптимальное место расположения.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы. Строительство автодорог в Западно-Сибирском регионе является приоритетной задачей для разработки месторождений полезных ископаемых. Проектирование автодорог следует вести с учетом всех факторов, отвечающих за сохранность инженерных сооружений, особенно следует обращать внимание на условия распространения многолетнемерзлых пород и их свойства.
Наряду с особенностями возведения сооружений в условиях криолитозоны следует учитывать структурно-тектоническое строение территории, а также современную геодинамическую активность тектонических нарушений, так как с ними связано большинство экзогенных процессов, приводящих к негативным последствиям.
В заключении хочется отметить, что, несмотря на сложность и многогранность проблем, связанных со строительством железных и автодорог в условиях распространения многолетнемерзлых пород, развитие транспортных коммуникаций является главным условием развития регионов в целом и Ямало-Ненецкого автономного округа в частности. Грамотный подход к проведению инженерных изысканий и использование доступных геофизических методов на ранней стадии изысканий поможет существенно снизить расходы и повысить качество строительства путепроводов.