Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение
«Саха гимназия»
Удаление остатков столбов из деятельного слоя
мерзлых грунтов
(на примере г. Якутска)
Работа ученика 11 «б» класса Саха гимназии
Игнатьева Владимира
Руководитель: Учитель физики Саха гимназии
Научный консультант: к. г.-м. н.
с. н.с., Институтa мерзлотоведения СО РАН
г. Якутск
Содержание
Стр. | |
ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 1. МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ Понятие о «вечной мерзлоте» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Температура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Льдистость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.4.Мощность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 2 Природные условия Центральной Якутии 2.1. Климат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Инженерно-геологические условия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Криогенное пучение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 3 Испытание ручного бура для выбуривания остатков столбов из деятельного слоя 3.1. Способ очистки деятельного слоя от остатков столбов. . . . . . . . . . 3.2.Испытание ручного бура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 3 5 6 7 8 9 10 11 13 14 17 19 |
Введение
Город Якутск построен на Крайнем Севере в зоне вечной мерзлоты. На его территории часто наблюдается разрушение асфальтового покрытия дорог. В основном они разрушаются путем выпирания корней столбов, оставленных при очистке территории от старых построений. Основной причиной является наличие вечной мерзлоты и несоблюдение технологии подготовки строительных площадок (рис. 1).
Рис. 1. Выпирание остатков столбов в результате морозобойного пучения
В связи с этим была поставлена цель: изучить причины разрушения асфальтовых покрытий городских улиц в районах распространения вечной мерзлоты на примере г. Якутска и разработать способ очистки деятельного слоя от основания столбов на строительных площадках.
Решались следующие задачи:
- изучить литературу о вечной мерзлоте;
- изучить способы строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах;
- выявить причины разрушения асфальтовых покрытий дорог;
- найти наиболее дешевый способ подготовки строительных площадок.
Объект исследования: многолетняя мерзлота и его влияние на хозяйственную деятельность человека.
Предмет исследования: влияние процесса криогенного пучения грунтов на инженерные сооружения в условиях г. Якутска.
Новизна работы заключается в разработке бурильного агрегата, который удешевит и улучшит качество освоения строительных площадок.
Глава 1. МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ
Понятие о «вечной мерзлоте»
Вечная мерзлота» (многолетняя криолитозона, многолетняя мерзлота) — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общая площадь вечной мерзлоты на Земле — 35 млн кмІ. Распространение — север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана, Антарктида. Районы многолетней мерзлоты — верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1 000 метров (Некрасов, 1984).
Общепринятое название — «вечная мерзлота», термин «многолетняя мерзлота» используется в основном петербургской географической научной школой.
Вечная мерзлота — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью, — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной вечной мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90 %. В вечной мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.
От 60 % до 70 % территории России — районы вечной мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.
Самый глубокий предел вечной мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания вечной мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года ( География Якутии, 2004).
Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.
Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачная — с почти отвесными стенками.
Глубина промерзания при средних отрицательных температурах в течение: | |
Время (количество лет) | Глубина мерзлоты (м) |
1 | 4,44 |
350 | 79,9 |
3500 | 219,3 |
35000 | 461,4 |
100000 | 567,8 |
225000 | 626,5 |
775000 | 687,7 |
Температура
Мерзлота формируется на суше (в горах и на равнинах), на шельфе арктических морей (Баренцево, Карское и др.) и под ледниками. Возможность промерзания горных пород под ледниками определяется температурой воздуха и мощностью ледника (в толще льда температура повышается с глубиной на 2–2,5°С на каждые 100 м).
Верхний слой земной коры, являющийся ареалом распространения многолетней мерзлоты, называют криолитозоной. Нижней границей криолитозоны служит изотерма 0°С. Температура верхних горизонтов мерзлоты в начале и конце тёплого сезона года переходит через 0°С. В ходе циклических процессов промерзания и оттаивания в её кровле формируется сезонно-талый слой. Если горные породы протаивают глубже этого слоя и не промерзают в зимнее время, то кровля многолетней мерзлоты понижается и возникают талики различного размера и глубины (Анисимова, 1981).
Главные характеристики мерзлоты – распространение, мощность, льдистость и температура, криогенные образования (формы рельефа). Их распределение в пространстве подчиняется основным географическим закономерностям: широтной зональности, высотной поясности и секторности. По характеру распространения многолетней мерзлоты выделяются две широтные мерзлотные зоны:
I – северная (сплошного распространения) и II – южная (несплошного распространения мёрзлых толщ). Южная зона подразделяется на три подзоны в зависимости от площади, занимаемой много летней мерзлотой: II а – прерывистого, II б – массивно-островного, II в – ост ровного и редкоостровного распространения многолетнемёрзлых пород. Южнее расположена зона (область) реликтовых мёрзлых пород.
Льдистость
Льдистость — основной классификационный показатель, характеризующий фазовый состав и физическое состояние мёрзлой породы при определённой температуре и давлении. По льдистости мёрзлые породы подразделяются на сильнольдистые (более 50%), слабольдистые (менее 25%) и льдистые (от 25 до 50%). В зависимости от способа количественного выражения содержания льда в мёрзлой породе различают весовую, относительную и объёмную льдистость. Наиболее широко используется объёмная льдистость. В зависимости от типа льда выделяют льдистость суммарную. Льдистость суммарная (включает Лёд-цемент и лёд сегрегационный) и льдистость за счёт включений – Лвк. Объёмная льдистость породы содержит только лёд включений и устанавливается прямым измерением суммарной толщины включений льда, приходящихся на единицу разреза, или определяется эмпирическим путём через суммарную влажность.
Величина льдистости зависит от состава, генезиса, режима и способов промерзания пород, степени их водонасыщения перед промерзанием, гидрогеологических и теплофизиких условий в период промерзания. Мёрзлым породам свойственно неравномерное льдонасыщение. Характер изменения льдистости по площади и вертикальному профилю весьма разнообразен. Наиболее широкий диапазон изменения льдистости отмечается на участках со сложным геологическим строением. Максимальное льдонасыщение (50% и более) типично для верхнего 1-5-метрового промежуточного слоя рыхлых пород различного состава и генезиса. Под этим слоем в многолетнемёрзлых породах однородного состава льдистость постепенно сокращается по глубине. В неоднородных по составу многолетнемёрзлых породах льдистость распределяется неравномерно по глубине: горизонты сильнольдистых пород чередуются с малольдистыми. Толщи с неравномерным льдонасыщением являются наиболее опасными при оттаивании.
Льдистость используется при теплофизических расчётах, определении несущей способности мёрзлых пород и их осадки при оттаивании. Льдистость учитывают при выборе параметров горных выработок, проведении горных работ в толще многолетнемёрзлых пород, при использовании многолетнемёрзлых пород в качестве основания сооружений.
Мощность
В горах с увеличением высоты понижается температура воздуха и пород, соответственно увеличивается мощность ММП. В сводовых частях отдельных поднятий, особенно с повышенной их трещиноватостью и более грубым механическим составом пород, увеличивается тепло - вой поток из земных недр и вследствие этого сокращается мощности мерзлоты, иногда на 100-200 м по сравнению с впадинами. Однако на некоторых антиклиналях, особенно перспективных на нефть и газ, поток поднимающегося тепла экранируется пластами, содержащими эти полезные ископаемые, и здесь, наоборот, наблюдается увеличение мощности мерзлого слоя.
Во впадинах, где идет современное осадконакопление, мощность мерзлоты, как правило, больше, чем на поднятиях, из-за того, что, как было сказано выше, выполняющие впадины отложения обычно тонкие, больше насыщены влагой, чем на поднятиях, и потому промерзают глубже, становятся льдистыми. В целом же мощность мерзлоты увеличивается от водоразделов к днищам впадин. Однако под речными долинами, по сравнению с водоразделами, мощность мерзлоты обычно уменьшена. Это связано с тем, что речные потоки, являясь мощными и постоянно действующими теплоносителями, препятствуют развитию под ними мерзлоты и вызывают ее протаивание, создавая зоны так называемых таликов.
Талики могут быть сквозными, пронизывающими всю толщу мерзлоты под речными потоками, или образовывать линзы и каналы внутри мерзлой толщи внутри - и межмерзлотные) или над ней несквозные). Холодный климат и мерзлота обусловливают особый тип выветривания — криогенный. Периодическое замерзание и оттаивание воды в породах ведет к физическому их разрушению, образованию трещин, дроблению, разрыхлению вплоть до превращения их в пылеватые и глинистые разности. Пылеватый элювий развит на многих породах в зоне тундры.
Глава 2. Природные условия Центральной Якутии
2.1.Климат
Вся территория Республики Саха (Якутия) относится к районам Крайнего Севера. Климат района резко континентальный, имеет продолжительную зиму и короткое лето (Родная Якутия, 2003).
Средняя годовая температура воздуха в Якутске за период непрерывных метеонаблюдений (1883–2008 гг.) изменяется в пределах -9,5 до -10,2єC. Она на протяжении 5 месяцев в году имеет положительное значение. Устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через 0єC отмечается в начале мая, а осенью – в начале октября. Годовая амплитуда колебаний среднемесячных температур воздуха составляет 57ч62єC. Перепад экстремальных температур достигает 102єC. Для г. Якутска 1991–2008 годы стали наиболее теплыми за последние десятилетия (рис. 2).
Некоторые параметры изменения среднемесячных температура воздуха в районе г. Якутска по многолетним данным, позволяет оценить ее изменчивость за различные периоды (табл. 1).
Среднемноголетние суммы осадков колеблются от 250 до 300 мм (Пахомова, 2003). Наименьшее количество осадков выпадает зимой (50-70 мм), что обусловливается антициклональным состоянием погоды. На теплый период (апрель-октябрь) приходится 190-230 мм осадков, или 75-85% годового количества.
Рис. 2. Изменение среднегодовой температуры воздуха в Якутске. Жирная линия – 10-летняя скользящая средняя.
Таблица 1.
Некоторые параметры изменения среднемесячных температура воздуха в районе г. Якутска, єC
I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
Средняя (1882–1960 гг.) | ||||||||||||
-43,2 | -35,9 | -22,2 | -7,4 | 5,7 | 15,4 | 18,7 | 14,8 | 6,2 | -7,9 | -28,0 | -39,8 | -10,3 |
Средняя (1961–1990 гг.) | ||||||||||||
-41,1 | -35,8 | -21,7 | -6,2 | 6,7 | 15,4 | 18,7 | 14,9 | 5,7 | -8,6 | -29,2 | -38,8 | -10,0 |
Средняя (1991–2008 гг.) | ||||||||||||
-37,6 | -33,1 | -20,3 | -4,5 | 7,5 | 16,6 | 19,5 | 15,4 | 6,2 | -7,3 | -26,3 | -37,6 | -8,5 |
В формировании температурного режима верхних горизонтов многолетнемерзлых горных пород существенное влияние играет снежный покров. Снег является теплоизолирующим фактором, поэтому его влияние отепляющее.
2.2.Инженерно-геологические условия
Город Якутск является одним из крупных городов Дальнего Востока, который построен на многолетнемерзлых грунтах. Более 80 процентов его площади относится к территории многолетнемерзлых пород.
Мощность криолитозоны в районе г. Якутска изменяется от 250 до 400 м (Соловьёв, 1959). В пределах г. Якутска, где поверхностный сток затруднен из-за его зарегулированности дорожными насыпями и грунтовыми подсыпками, подъем уровня вод сезонноталого слоя (СТС), что вызывает подтопление и заболачивание территории. Кроме того, условия формирования вод СТС во многом определяют развитие таких опасных экзогенных процессов, как сезонное и многолетнее пучение.
Воды несквозных таликов развиты в толщах аллювия и залегают под руслами рек и проток, под озерами и ложбинами стока на территории г. Якутска. Основным источником их питания являются атмосферные осадки и талые воды, а на пойме и местами на первой надпойменной террасе – паводковые воды. Большое значение имеют также техногенные стоки.
Центральная часть Якутска отделена от русла реки Лены широкой травянистой равниной – так называемым «Зелёным лугом», которая представляет собой пойму реки Лена и затопляется в половодье. В последнее время здесь практикуется строительство жилых кварталов с созданием искусственных намывных площадок.
Первый опыт такого строительства начался в 70-х – 80-х годах XX в. в черте современного Губинского округа МО «Город Якутск». Тогда песчаные отложения были сформированы способом гидронамыва на участок поймы р. Лены с образованием на нем искусственной террасы, которая с одной стороны примыкает к дамбе, пересекающей русло Городской протоки, а с другой стороны – к уступу якутской террасы. В настоящее время данная часть территории г. Якутска является местом строительства и эксплуатации инженерных объектов микрорайона 202 и микрорайона 203 (www. ).
Промерзающая толща аллювия нередко содержит криопэги – высокоминерализованные воды с отрицательной температурой. Глубина залегания криопэгов в естественных условиях, как правило, не превышает 6 м, иногда до глубины 18–20 м.
2.3.Криогенное пучение
Пучение грунтов наносит огромный ущерб народному хозяйству. Разрушаются автомобильные и железные дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов. Деформируются воздушные и кабельные линии связи, а так же газопроводы и нефтепроводы (www. ru. wikipedia. org).
Если при уложении асфальта закопанный столб не убрать, а просто спилить вровень с поверхностью земли то в результате такого процесса на асфальте образуется бугор.
Выпучивание врытых столбов, камней и других твёрдых тел из рыхлых отложений, которые при промерзании увеличиваются в объёме и пучатся. Нередко зимой такие рыхлые грунты смерзаются с вкопанным столбом, а затем, пучась, поднимают его вверх. Столб как бы вынимается из непромёрзшей части сезонно-талого слоя.
Образовавшаяся под ним полость заполняется водой или разжиженным грунтом. При полном промерзании сезонно-талого слоя в этой полости образуется лёд или сильнольдистый грунт.
Летом, пока не оттает подошва столба, он сохраняет своё приподнятое положение. После вытаивания льда в полости под столбом остаётся грунт, и потому столб, хотя и уходит в землю, но не настолько, чтобы принять своё первоначальное положение.
С началом следующей зимы история повторяется. И так из года в год. Постепенно столб теряет устойчивость, наклоняется и падает (www. geographystudy. ru).
Не беда, когда это происходит со столбами изгородей, но когда падают телеграфные столбы и опоры электросети, деформируются сваи фундаментов зданий — это уже стихийное бедствие.
В природе же многолетний процесс выпучивания валунов, скальных обломков и мелких камней приводит к формированию на поверхности каменных россыпей, образованию на пологих склонах целых каменных потоков.
Глава 3 Испытание ручного бура для выбуривания остатков столбов из мерзлоты
3.1. Способ очистки деятельного слоя от остатков столбов
В каждодневной жизни мы все наблюдаем что асфальтированные улицы и тротуары выложенные разноцветными красивыми плитками через год-два начинают разрушаться и чаще всего какими-то мелкими кочкообразными буграми. В последующем становится ясно видно, что из под земли выпирают столбы. Это все работа процесса криогенного пучения (рис. 5).
Рис.5. Схема выпучивания столба.
Дело в том, что строительные площадки не очищаются от остатков столбов старых строений. При очистке площадки строительства организации занимающиеся подготовкой площадки, как правило проводят очистку снося старые строения в том числе и столбы тяжелыми бульдозерами и выравнивают небольшой прослойкой песка. Мы считаем, что эти остатки столбов предварительно должны убираться. Это трудоемкий процесс. Для того, чтобы вынуть один остаток столба необходимо выкопать яму размером не менее 1х1 м. Исходя из этого, чтобы облегчить этот процесс нами предлагается новый способ-выбуривание каждого столба при помощи специального агрегата, который выбуривает каждый столб в отдельности (рис. 6)
Рис. 6. Принципиальная схема очистки деятельного слоя от остатков столбов
По предварительным расчетам на выбуривание одного столба затрата времени составит 15-20 минут.
3.2. Испытание ручного бура
В 2015 г. я принимал участие в НПК школьников «Шаг в будущее» докладом под названием «Способ очистки деятельного слоя от основания столбов в районах вечной мерзлоты». Нами был предложен новый способ очистки от выпирающих оснований столбов, которые располагаясь в пучинистых грунтах, разрушают асфальтовые покрытия. В городах построенных в районах распространения ММП это распространённое явление.
Нами было предложено конструирование агрегата на основе трактора. Конечно, это трудоёмкое мероприятие. Летом 2016 года будучи у родственников в селе Бедимя я решил использовать ручной бур. Для этого взял металлическую трубу диаметром 400 мм и высотой 120 см (рис. 7). Вместо коронки болгаркой выпилил зубья. (рис.8а).
Рис. 7. Внешний вид ручного бура.
Рядом с нашим домом нашёл остаток не выкопанного столба длиной 100 см. Основные рабочие моменты выбуривания столба показаны на рисунке 8. Этот столб освободили через 40 минут.
Таким образом, удаление столба у нас обошлось без лишних финансовых затрат, и доказано возможность очищения деятельного слоя от такого столба (рис. 9). Необходимо отметить, что в нашем случае грунты были представлены не пучинистыми супесчаными отложениями.
|
|
а | б |
|
|
в | г |
Рис. 8. Рабочие моменты выбуривания остатка столба.
Рис. 9. Остаток столба выбуренный экспериментальным ручным буром.
Заключение
В районах распространения ММП процесс пучения на тиксотропных грунтах явление весьма распространён. В строительной практике подготовка площадок освоения производится не очень качественно. В частности путём планирования бульдозером. При этом, остатки столбов от старых построений часто остаются на месте. Оставшиеся остатки столбов в пучинистых грунтах со временем начинают выпучиваться в результате циклического процесса протаивания и промерзания.
Например, на территории города Якутска происходит разрушение асфальтированных улиц и тротуаров. Тротуары, выложенные разноцветными красивыми плитками, через год-два начинают разрушаться мелкими кочкообразными буграми. Они разрушаются в результате выпирания остатков столбов старых построений под воздействием процесса криогенного пучения. Причина заключается в некачественной подготовке строительной площадки. Они не очищаются от остатков столбов старых строений.
Нами предлагается новый способ очистки от остатков столбов деятельного слоя специальным буровым агрегатом. Это на порядок снизит затраты времени и финансовых средств
Литература
Анисимова особенности мерзлой зоны. – Новосибирск: Наука, 1981. – 153 с.
География Якутии: Учеб. для 9кл. средней общеобразоват. школы / , и др.; Под ред. , . – Якутск: Бичик, 2004. –304 с.: ил., карт.
Некрасов мерзлота Якутии: Якутск: Кн. изд-во,1984 . – 120 с.: ил.
Пахомова – город мой: Учебное пособие для учащихся 5 класса средних общеобразоват. школ – Якутск: Триада, 2003. –112 с.
Родная Якутия: природа, люди, природопользование. / ; Науч. ред. канд. геогр. наук . – Якутск: Бичик, 2003. – 168с.
Соловьев северной части Лено-Амгинского междуречья. М.: Изд-во АН СССР, 1959, 144 с.
www. ru. wikipedia. org
www. geographystudy. ru
www. science-koncept. org
www.
