Регулирование процесса техногенного термокарста
Основные причины возникновения многолетнего оттаивания грунтов и, как следствие, проявления процесса термокарста на участках распространения льдистых и сильнольдистых грунтов по характеру воздействия могут быть разделены на две группы – природно-антропогенные и собственно техногенные.
К первой группе относятся воздействия, которые во многом аналогичны естественным – удаление напочвенного растительного покрова; увеличение мощности снега до величин, превышающих критическую мощность снежного покрова в данном районе; создание искусственных водоемов, глубиной, превышающей критическую; изменение альбедо поверхности, например, при пожарах, разливов нефти и нефтепродуктов, обладающих малым альбедо и т.д.
Ко второй группе относятся воздействия, которые связаны с внесением источников тепла – строительство сооружений по второму принципу, когда под зданиями или другими сооружениями формируется ореол многолетнего оттаивания грунтов, эксплуатация водохранилищ и добывающих нефтяных, газовых скважин в многолетнемерзлых грунтах и т. д.
Существует два принципиально различных подхода к регулированию процесса многолетнего оттаивания грунта и развития процесса термокарста, изложенные в «Рекомендациях…, 1987».
Мероприятия по прекращению многолетнего протаивания грунтов и развития термокарста. Регулирование процесса многолетнего протаивания грунтов производится с помощью мероприятий водно-тепловой мелиорации. Выбор этих мероприятий, оценка их эффективности и экономичности в каждом конкретном случае производится с учетом вида техногенного воздействия на основе знания закономерностей формирования геокриологических условий в районе освоения. При этом особое значение имеет изучение льдистости и криогенного строения грунтов, поскольку интенсивность развития термокарста во многом определяется количеством и характером распределения льда в грунте.
Для уменьшения скорости или полного прекращения многолетнего протаивания многолетнемерзлых грунтов рекомендуется проводить следующие мероприятия:
уменьшение мощности, увеличение плотности снежного покрова или его удаление;
затенение поверхности (насаждение деревьев, кустарников, устройство навесов);
создание теплоизоляционных покрытий из высокопористых материалов;
создание насыпей и подсыпок;
дренирование поверхности, устройство организованного водоотвода.
Обоснование целесообразности применения того или иного из перечисленных мероприятий и выбор количественных значений параметров, которые способствуют прекращению процесса многолетнего протаивания и развитию термокарста (оптимальной мощности и плотности снега, высоты подсыпок и насыпей, материала и толщины слоя теплоизоляционных покрытий и т.д.) производится на основе геокриологического прогноза с использованием методов, изложенных в гл. 1.3, 1.4.
Мероприятия, вызывающие и стимулирующие многолетнее оттаивание грунтов. Для увеличения скорости многолетнего оттаивания грунтов (вплоть до полного оттаивания льдистого горизонта) и интенсификации термокарста рекомендуются следующие мероприятия:
увеличение мощности снежного покрова до критической, т.е. величины, обеспечивающей переход сезонного оттаивания грунта в многолетнее;
снятие растительного и почвенного покровов;
уменьшение затененности поверхности;
создание искусственных покрытий и пленок;
создание искусственных водоемов, глубина которых превышает критическую, т.е. обеспечивает формирование положительной температуры донных отложений;
послойное удаление грунта;
применение дополнительных источников тепла (электропрогрев, парооттайка, гидроотайка и др.).
Различные мероприятия оказывают на регулируемый процесс не только прямое, но косвенное воздействие. Например, удаление растительного покрова, являющегося теплоизоляционным слоем, приводит к повышению температуры грунтов вследствие увеличения теплооборота через поверхность в летний период, однако это мероприятие может привести к изменению в зимний период условий снегонакопления и, как следствие, к изменению отепляющего влияния снега.
Регулирование процесса морозного выпучивания фундаментов
Противопучинные мероприятия для зданий и сооружений назначаются в том случае, если устойчивость сооружения, рассчитываемая на действие сил пучения, не обеспечивается нагрузкой от сооружения и силами заанкеривания фундамента в талых или мерзлых грунтах, а также в случае необходимости уменьшения деформаций пучения или их полной ликвидации.
Назначение противопучинных мероприятий производится на основе учета следующих факторов: экономической значимости и условий эксплуатации проектируемого сооружения (здания); степени его ответственности сроков эксплуатации; геологических и гидрогеологических особенностей строительной площадки; типа фундамента. На территории распространения вечномерзлых пород необходимо также учитывать: геокриологические условия строительной площадки; требования, регламентирующие метод использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружения; сезон работ нулевого цикла (производство земляных работ, устройство основания и фундаментов). Подробное изложение мероприятий, направленных на предотвращение выпучивания фундаментов изложено в «Рекомендациях…1986».
В зависимости от указанных выше факторов возможны противопучинные мероприятия следующих видов:
инженерно-мелиоративные (тепломелиорация и гидромелиорация);
строительно-конструктивные;
физико-химические (засоление, гидрофобизация грунтов и др.); комбинированные.
Из них по продолжительности действия следует различать: кратковременные мероприятия (срок действия 1-2 года); долговременные мероприятия (срок действия свыше двух лет).
Инженерно-мелиоративные мероприятия. Тепломелиорация. Эффективными противопучинными мероприятиями, обеспечивающими регулирование теплообмена промерзающих грунтов и управление процессом пучения и его силовыми воздействиями, являются мероприятия тепловой мелиорации. Тепловая мелиорация сводится к созданию в грунте в период промерзания температурного градиента горизонтального направления, что в условиях некоторого влагонакопления и осушения грунта позволяет: уменьшить или устранить промерзание грунта; повысить температуру мерзлого грунта, уменьшая тем самым значения касательных сил пучения; снизить интенсивность пучения грунта вследствие развития миграции влаги в сторону от фундамента.
В качестве мероприятий тепловой мелиорации можно рекомендовать: устройство термолокализаторов, обеспечивающих местное утепление грунта фундамента посредством теплоизоляции: прокладку вблизи фундамента (по наружному периметру) подземных малозаглубленных коммуникаций, выделяющих в грунт тепло. Термолокализатор представляет собой слой теплоизоляции, укладываемый, как правило, на поверхность грунта вокруг фундамента, если последний состоит из одиночных опор (рис. 5.1, а,б) или несет конструкции неотапливаемого здания (сооружения). При обеспечении у отапливаемых зданий положительной температуры в подполье в зимний период укладка теплоизоляции производится только по наружному периметру ограждающих конструкций (рис.5.1, в). Последняя рекомендация не распространяется на здания, возводимые по принципу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии.
Рис. 5.1. Тепломелиорация грунта у фундамента
а, б - у неотапливаемых зданий; в, г - у отапливаемых зданий; 1 - фундамент; 2 - теплоизоляция; 3 - промерзший грунт; 4 - утрамбованная поверхность грунта; 5 - покрытие теплоизоляции материалом с малой водопроницаемостью; 6 - труба теплоносителя для обогрева грунта
В качестве одного из способов сохранения теплоизоляции от водонасыщения следует рекомендовать пропитку ее различными вяжущими (мазут, нефть, битум и т.п.), теплофизические свойства которых должны быть учтены при назначении коэффициента теплопроводности изоляции.
Расчет глубины промерзания грунта у фундамента ds при наличии термолокализатора, имеющего радиус или ширину слоя теплоизоляции rb., может быть приближенно произведен по формуле
db = df – (r f/df) (df –dfb) при 0<rf <df,
где df— расчетная глубина промерзания грунта у фундамента при оголенной поверхности; dfb — расчетная глубина промерзания грунта под теплоизоляцией при отсутствии его бокового охлаждения.
Обогрев грунта у фундаментов по наружному периметру сооружения (рис. 5.1, г) в районах распространения ММП применяется в случае, если мерзлые грунты основания используются по принципу II.
Гидромелиорация. Гидромелиоративные мероприятия, применяемые против пучения грунтов, зависят от условий источника увлажнения, рельефа местности и геологических особенностей грунта, характеризуемых их фильтрационной способностью. Эти мероприятия сводятся: к понижению уровня грунтовых вод и осушению грунтов в пределах сезонномерзлого слоя; к предохранению грунтов от насыщения поверхностными, атмосферными и производственными водами. Основным назначением рекомендуемых дренажных сооружений являются отвод и осушение грунтов оснований в летне-осенний сезон, а также в начальный период зимнего промерзания грунтов. Осушение грунтов строительной площадки за счет понижения уровня грунтовых вод осуществляется посредством устройства водосборных канав, лотков, траншей (открытого и закрытого типа), дренажей (мелкого и глубокого заложения), дренажных песчаных прослоек и т.п. (рис. 5.2). В качестве временных мероприятий для водопонижения грунтов могут быть использованы иглофильтровые установки (с применением в отдельных случаях электроосмотического управления), вакуумные дренажи и др.
Рис. 13. Виды дренажных сооружений у фундаментов. а - схема водоотвода при заложении канала ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунта; б - схема водоотвода при наличии слоя теплоизоляции у фундамента;
1 - фундамент; 2 - слой теплоизоляции; 3 - промерзший грунт; 4 - отмостка; 5 - дренирующий слой грунта; 6 - водоотводная труба
С целью предохранения грунтов основания от насыщения атмосферными и производственными водами производят вертикальную планировку территории у возводимого объекта с приданием последней необходимых уклонов для стока поверхностных вод, а также устраивать отмостки, предохраняющие от скопления этих вод у фундаментов. Открытые водосборные и водоотводные лотки и замощенные канавы устраивают на расстоянии от здания (сооружения), которое не допускало бы возможного влияния водоотводных сооружений на промерзание грунтов у фундаментов.
При укладке подземных коммуникаций (водопровода, канализации) особое внимание следует обращать на тщательное производство работ по стыкованию труб вблизи здания. Надежное соединение труб обеспечивает предохранение грунтов от их возможного местного увлажнения.
К общим мероприятиям по осушению грунтов строительной площадки относится предохранение котлованов от попаданияв них сточных атмосферных и почвенных вод сопредельных территорий.
Строительно-конструктивные мероприятия. Конструктивные противопучинные мероприятия предусматривают главным образом повышение эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в морозоопасных грунтах. Эти мероприятия предназначаются: для снижения величины усилий, выпучивающих фундаменты; для заанкеривания фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже сезоннопромерзающего слоя; для приспособления фундаментов и надземной части сооружения к неравномерным деформациям пучинистых грунтов.
С целью снижения величины касательных сил пучения рекомендуется: проектировать сооружения на столбчатых и свайных фундаментах (постоянного сечения и с уширением на конце), по возможности заменяя ими ленточные и массивные фундаменты; уменьшать количество отдельно стоящих опор фундаментов с целью увеличения нагрузки на каждую опору. При заданной расчетной нагрузке от сооружения осуществление этой рекомендации возможно при условии увеличения глубины заложения фундамента, увеличения площади опорной плиты и т.п.; уменьшать сечение столбчатых фундаментов и свай в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта. Использование анкерных устройств целесообразно при небольшом заглублении фундаментов в вечномерзлые грунты основания, сохраняющие свое мерзлое состояние в процессе эксплуатации здания (сооружения); железобетонных столбчатых и рамно-стоечных фундаментов с опорно-анкерными плитами.
В качестве строительно-конструктивных мероприятий можно предусмотреть уменьшении шероховатости боковой поверхности фундаментов в пределах слоя промерзающего пучащегося грунта (затирка и железнение железобетонных фундаментов, острожка поверхности и затирка щелей деревянных стоек и свай) или увеличить шероховатость анкерной части фундамента. Целесообразно применять и комбинированное решение; применять для обмазки боковой поверхности фундаментов вязкие несмерзающиеся материалы (консистентные смазки), а также гидрофобизирующие пропитки. В качестве таких материалов могут быть применены смолы, мазут, деготь, нефть, битумные мастики, а также разработанные НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова высокомолекулярные эпоксидные компаунды, кремнийорганические соединения и пластичные смазки. Смазки типа БАМ-3 и БАМ-4 не затвердевают при температуре минус 40-500С и понижают касательные силы пучения на 50-60%. Покрытие фундаментов эластичными полимерными пленками снижает силы пучения до 8 раз, а рекомендуемые эпоксидные смолы ЭР-5 и ЭР-6 уменьшают шероховатость поверхности фундамента и ее смачиваемость, кроме того, способствуют большей сохранности материала фундамента от морозного разрушения.
Для заанкеривания фундаментов в талых или мерзлых грунтах, залегающих глубже сезоннопромерзающего слоя, рекомендуется использование: деревянных и железобетонных свай, забиваемых на расчетную глубину, при которой обеспечивается их устойчивость в пучинистом грунте; деревянных столбчатых фундаментов с опорно-анкерными коротышами.
Для приспособления конструкций фундаментов и наземной части зданий к неравномерным деформациям пучинистых грунтов рекомендуется применять: фундаменты в виде стоек, опертых на лежни; фундаменты в виде стоек, связанных поверху рандбалкой, являющейся частью рамной надземной конструкции зданий. Для ответственных сооружений целесообразно применение фундаментов рамной конструкции или в виде сплошной железобетонной плиты; незаглубленные или малозаглубленные фундаменты в виде плит, лежней или блоков. При этом исключается накопление необратимых остаточных деформаций выпучивания, а для незаглубленных фундаментов - и касательных сил пучения; устройство в каменных стенах и фундаментах железобетонных поясов, располагаемых на уровне междуэтажных перекрытий или перемычек над проемами, а также по обрезу подошвы фундамента; устройство осадочных швов в сооружениях, имеющих сложное очертание в плане, с целью приведения сооружений к блокам простого очертания. Кроме того, осадочные швы устраиваются для разделения частей сооружений с резко отличным тепловыделением у наружных стен, а также при большой протяженности сооружения. В последнем случае осадочные швы назначаются не более чем через 18—20 м; устройство под зданием (сооружением) сплошных подсыпок из местных строительных материалов (песок, гравий и др.), а под сельскохозяйственные здания - малозаглубленных фундаментов на локально уплотненном основании.
Физико-химические мероприятия (техническая мелиорация грунтов). Применяемые в настоящее время физико-химические мероприятия стабилизации морозоопасных промерзающих грунтов в основном сводятся: к специальной обработке грунта вяжущими, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства; к насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и тем самым способствующими уменьшению глубины промерзания грунта.
Гидрофобизация грунтов, т.е. придание грунту водоотталкивающих свойств, производится посредством обработки его небольшим количеством вяжущего при определенных гидротермических условиях.
В качестве вяжущего могут применяться: жидкие нефтяные битумы, жидкие каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурфурол-анилиновые смолы в количестве 1—2% массы сухого грунта и другие материалы.
Для придания грунту требуемой прочности и водостойкости в жидкие битумы целесообразно добавлять поверхностно-активные вещества - органические, кислоты и фонолы в сочетании с добавками в грунт мелких доз свежегашеной извести (в последнем случае в виде молотой извести - кипелки). В качестве поверхностно-активных веществ могут применяться органические и азотные основания, отходы канифольного производства, содержащие абиетиновые кислоты, каменноугольные масла, содержащие не менее 15% органических оснований, торфяные и древесные смолы, содержащие 15% высокомолекулярных фенолов и кислот.
Наиболее пригодны для гидрофобизации супеси и пылеватые пески с преобладанием фракций от 0,5 до 0,05 мм. Песчаные и супесчаные грунты с 1р< 0.03 следует применять только с предварительным введением в них добавок пылеватых фракций. В качестве гидрофобного грунта возможно также применение золы каменного угля, для гидрофобизации которой требуется около 70 л раствора твердого битума с нефтью на 1 м3 золы.
Смешение грунта с вяжущими производится горячим способом при рабочей температуре компонентов около 120-150°С. При гидрофобизации сухой размолотый грунт подогревается до указанной температуры и в него вливается подогретый раствор вяжущего, температура которого обеспечивает его жидкое состояние.
Для предохранения фундаментов зданий и инженерных сооружений от выпучивания вокруг фундаментов следует устраивать рубашку из гидрофобного грунта толщиной 0,15-0,25 м в зависимости от напора грунтовых вод в пределах расчетного слоя сезонного промерзания (рис. 5.3). Перед укладкой гидрофобного грунта поверхность фундамента дважды покрывается жидкими вяжущими, после чего вдоль фундамента устанавливается опалубка. Гидрофобный грунт укладывается отдельными слоями толщиной 20-30 см с последующим уплотнением каждого слоя. Для повышения плотности сухую смесь необходимо перед укладкой увлажнять до оптимальной влажности.
Рис. 5.3. Схема предо-хранения фундамента от вы-пучивания посредством устройства рубашки из гидрофобного грунта: 1 — фундамент; 2 - гидрофобный грунт; 3 — промерзший грунт; 4 - грунт обратной засыпки
Засоление грунтов относится к противопучинным мероприятиям кратковременного действия (срок действия 1-2 года), если грунты не защищены от воздействия поверхностных и грунтовых вод. Наиболее пригодны для засоления грунты малыми коэффициентами фильтрации. Засоление песчаных и супесчаных грунтов нецелесообразно вследствие быстрого вымывания из них солей. При строительстве по принципу использования грунтов основания в мерзлом состоянии засоление грунтов деятельного слоя не рекомендуется во избежание нарушения температурного режима основания. Для засоления грунтов применяют хлористый натрий, кальций и магний. Наиболее эффективными солями считаются хлористый натрий и кальций, понижающие температуру замерзания ниже -20 0С. Применение для сильно увлажненных грунтов солевых растворов вместо кристаллических безводных солей не рекомендуется во избежание быстрого вымывания введенных в грунт солей.
Работы по засолению грунтов у фундаментов могут производиться двумя методами: засолением грунта обратной засыпки до укладки его в пазухи котлована; устройством в незаселенных грунтах у фундамента шпуров, набиваемых кристаллической солью и в дальнейшем заливаемых насыщенным раствором той же соли.
Засоление грунтов имеет и отрицательные стороны. Кроме кратковременности этого мероприятия соли также влияют и на начальную структуру грунта, вследствие чего в дальнейшем грунт может оказаться более морозоопасным, чем до засоления. Засоление грунтов ускоряет разрушение строительных материалов, усиливает коррозию подземных коммуникаций и т.п.
Физические противопучинные мероприятия. Перспективным физическим методом борьбы с морозным пучением грунтов может быть метод стабилизации грунтов посредством введения в них добавок противопучинных компенсирующих веществ (ПКД), обладающих определенными объемно-деформационными свойствами. Применение ПКД способно компенсировать пучение грунта при замерзании и его просадочность при оттаивании.
В качестве ПКД могут быть использованы полуфабрикаты твердых синтетических высокомолекулярных соединений (полимеры) следующих групп: жесткие полимеры, имеющие большой коэффициент объемного расширения, изменяющие свой объем в соответствии с изменением температуры окружающего грунта; высокоэластичные полимеры (типа резин), способные обратимо деформироваться при многократно действующем периодическом давлении, равном 0,05-0,1 МПа (0,5-1 кгс/см2); полимеры, обладающие одновременно свойствами соединений первой и второй групп.
Значительно в меньшей степени разработаны методы защиты от таких опасных процессов как термоэрозия, термоабразия, солифлюкция.
К основным мероприятиям защиты территории от процессов термоэрозии можно отнести: установку горизонтальных водофильтрующих мембран; выполаживание бровок бортов эрозионных форм; закрепление выположенных бортов эрозионной формы неткаными синтетическими материалами (НСМ) с одновременным посевом семян; уменьшение уклона тальвега эрозионной формы за счет создания подпорной стенки-порожка с одновременной выстилкой днища противофильтрационной диафрагмой из НСМ; закрепление местного базиса эрозии для предотвращения регрессивной эрозии и стабилизации энергетических показателей процесса; организация стока с нарушенных водосбросов при помощи органогенных смесей, обеспечивающих повышение влагоемкости минеральных грунтов (Эрозионные процессы…, 1999). В качестве мероприятия по противоэрозионной защите песчаных грунтов В.Г. Чеверевым и др. (2005) преложено использование гелеобразующего водного раствора полимера – 0,5-1,5% раствора поливинилового спирта. Раствор полимера формирует на поверхности грунта профилактическое покрытие, которое противодействует водной и ветровой эрозии и создает благоприятные для дернообразующих растений стартовые термовлажностные условия.
При создании водохранилищ на многолетнемерзлых грунтах, устройстве береговых сооружений на побережье Арктических морей особого подхода требует решение вопросов защиты берегов от размыва. В тех случаях, когда берега сложены мерзлыми отложениями, свойства которых претерпевают существенные нежелательные изменения, защитные мероприятия должны основываться на принципе сохранения мерзлого состояния пород, слагающих берега. Сведения об осуществленных мероприятиях такого рода отсутствуют. Имеются предложения по защите мерзлых берегов с помощью банкетов из горной массы, теоретически разработаны теплозащитные песчано-гравийные покрытия берегов, сложенных сильнольдистыми грунтами. Для сокращения энергии волн возможно сооружение волноломов, подводных гряд из слаборазмываемого материала, создание искусственных пляжей из гравийно-галечникового грунта. Разработка инженерных мероприятий для защиты мерзлых берегов от размыва является важной задачей, которая ждет своего решения.
Литература
Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации противоналедных сооружений и устройств. Минтрансстрой, МПС. М., 1988
Максимова Л.Н. Схема типизации криогенных инженерно-геологических процессов // Геокриологические исследования. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. С. 34-44.
Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. ПНИИИС, М., Стройиздат,1986. 72 с.
Рекомендации по методике регулирования сезонного промерзания и протаивания грунтов и развития термокарста при освоении Западной Сибири. ПНИИИС, М., Стройиздат,1987. 83 с.
Сергеев Е.М. Инженерная геология. М., 1978. 383 с.
Суходровский В.Л. Экзогенное рельефообразование в криолитозоне. М., 1979. 280 с.
Эрозионные процессы центрального Ямала / Под ред. А.Ю. Сидорчука, А.В. Баранова. С.-Петербург. 1999. С. 350.
Чеверев В.Г., Медко В.В., Видяпин И.Ю., Елисеев А.В. Инженерно-биологическая защита насыпных сооружений на крайнем севере от водной эрозии / Материалы третьей конференции геокриологов России. Т. 2 Изд-во Моск. Ун-та, 2005. С. 309-314.