Рекомендации

по методике регулирования сезонного промерзания и протаивания грунтов и развития термокарста при освоении Западной Сибири

Москва 1988

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве

(ПНИИИС) Госстроя СССР

Рекомендации

по методике регулирования сезонного промерзания и протаивания грунтов и развития термокарста при освоении Западной Сибири

Москва Сгройиздат 1988

В последующие годы: очень резкое увеличение льдистостм СМ Г. особенно в нижнем горизонте, возрастание интенсивности и изменение динамики солифлюкции, общего морозного пучения; усиление сплывов, морозного выпучивания, глубокого мороэобойиого растрескивания и роста повторно-жильных льдов, замедление термокарста и термо эрозии; сокращение глубины сезонного протаиваяия до значений, соответствующих новым условиям

В первое лею: небольшое сокращение глубины сезонного протаиоания. уменьшение интенсивности солифлюкции, сплывов. термоэрозии, термокарста

В последующие годы: возрастание льдистостм СМГ. особенно в нижнем горизонте, интенсивности солифлюкции; проявление сплывов. усиление термоэрозим. глубокого мороэобойно-ного растрескивания и роста повторно-жильных льдов; изменение динамики и увеличение интенсивности общего сезонного морозного пучения, выпучивания; уменьшение термокарста; сокращение глубины сезонного протамваиия до значений, соответствующих новым условиям

В первое лею: увеличение глубины сезонного протамваиия, термокарста и термоэрозим

В последующие годы: уменьшение льдистостм СМГ. особенно в большей нижней части, практическое прекращение соли-флюкции, ослабление термоэрозим; прекращение солифлюк-цки, уменьшение интенсивности и изменение динамики общего морозного пучения (проявляется в начале периода промерзания). уменьшение морозного выпучивания: образование сезонных бугров пучения; прекращение глубокого мороэобойиого растрескивания; возрастание интенсивности термокарста; увеличение глубины сезонного протаявания до значений. соответствующих новым условиям

сокращение птубикы сезонного пропивания до значений, соответствующих новым условиям; повышение заболоченности. чувствительности почвенно-грунтовых вод к загрязнению вредными примесями, поверхностного стока вод

В первое лето: некоторое уменьшение глубины сезонного про таяв амия, замедление термокарста В последующие годы: небольшое увеличение лыхистости СМ Г, особенно в нижнем горизонте; изменение динамики и повышение интенсивности общего морозного пучения н выпучивания; образование сезонных бугров пучения; местами развитие глубокого морозобойиого растрескивания и рост повторно-жильных льдов; некоторое увеличение гермоэрозии; уменьшение глубины сезонною-пропивания до значений, соответствующих новым условиям; возрастание заболоченности пониженных участков, чувствительности почвенно-грунтовых вод к загрязнению

Косвенным показателем качественной градации сезонного промерзания в области вечномерзлых грунтов является криогенная текстура тонкодисперсных, неогорфованных в нижней половине сезонно-мерзлых грунтов. При однонаправленном прямом промерзании криогенная текстура в нижней части сезонно-мерзлых пород массивная. При двунаправленном прямоупрсждающем и синхронном промерзании она шлировая: слоистая или сетчато-слоистая. Различить эти две градации позволяет мощность нижнего шлирового горизонта сезонномерзлых грунтов: менее 10 см при прямоупр еж дающем промерзании и более 10 см при синхронном. При возвратноупреждающем промерзании грунтов в их нижнем горизонте формируется шлировая сетчатая, реже слоистая криогенная текстура и атакситовая ниже горизонта со шлировой криогенной текстурой.

2.10.    Регулирование качественных показателей этих процессов сводится к требуемому изменению температуры грунтов (см. п. 2.9).

Для обеспечения устойчивого проявления качественной градации сезонного промерзания или протаивайия, наиболее благоприятной для данного вида освоения территории, нужно учитывать не среднее многолетнее, а экстремальные значения температуры грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями за репрезентативный или требуемый многолетний период. Данная градация процесса устойчива, если экстремальные за этот период значения температуры грунтов не выходят за пределы, критические для ее проявления.

2.11.    Имеются следующие методы регулирования качественных показателей сезонного промерзания и протаивая ия грунтов:

изменение характера снегонакопления и термосопротивления снега;

изменение растительного покрова: вырубка леса, кустарников, создание парков, лесозащитных полос, изменение и уничтожение напочвенного покрова, за-чернение поверхности и др.;

применение искусственных теплоизоляционных покрытий;

осушение или увлажнение грунтов верхнего горизонта литосферы с проявлением сезонных циклов промерзания - протаивания;

изменение состава грунтов;

повышение или понижение относительной отметки поверхности опасного участка.

2.12.    Влияние естественных покровов и искусственных покрытий на качественные показатели сезонного промерзания и протаивания грунтов оценивается по их термосопротивлению, которое нужно изменить так, чтобы температура грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями за требуемый многолетний период не выходила за пределы значений, критических для той или иной качественной градации данных процессов.

2.13.    Указанные в п. 2.11 методы применимы как раздельно, так и в комплексе. Взаимосвязь разных составляющих природной среды нередко предопрсдсляег комплексное их воздействие на особенности сезонного промерзания и протаивания даже в случае применения одного из них. Так, изменение мощности снега может привести к изменению напочвенного покрова, влажности грунтов и тщ. Вырубка леса на локальном участке - к возрастанию мощности и изменению режима накопления снега, увеличению влажности грунтов и т.д. Применяя любой из методов, следует учитывать также вызванное его применением измене-

16

нис комплекса природных факторов, влияющих на температуру грунтов и на сезонное промерзание и протаивайие.

2.14.    Прежде чем использовать тот или иной метод или комплекс методов, надо оценить реальность изменения требуемых качественных показателей сезонного промерзания и протаиваяия грунтов при их применении.

В крайних северных районах, где температура грунтов с учетом ее колебаний за многолетний период не бывает выше минус 4 - минус 5°С, никакие локальные изменения термосопротивления снежного и напочвенного покровов, изменения состава и влажности грунтов, рельефа поверхности, применение искусственных покрытий не могут изменить однонаправленное прямое сезонное протаивание грунтов на двунаправленное. Образование многолетних снежников, наледей и применение искусственных покрытий может привести к переходу систематического сезонного протаивания грунтов в несистематическое или полностью прекратить его проявление на определенный период. Но в этих районах можно изменить качественную градацию сезонного промерзания грунтов.

В крайних южных районах с температурой грунтов выше 4-5°С столь же невозможно изменить однонаправленное прямое сезонное промерзание на двунаправленное, хотя можно изменить качественную градацию сезонного протаивания.

2.15.    Для выбора эффективных методов регулирования качественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов на том или ином опасном участке наряду с общей природной обстановкой осваиваемой территории требуется знать:

естественные качественные градации промерзания и протаивания при ненарушенных природных условиях и их устойчивость за требуемый многолетний период, определить которые можно путем многолетних натурных наблюдений за ходом этих процессов или по экстремальным за требуемый многолетний период значениям средней годовой температуры грунта, фактическим или расчетным (см. п. 2.9);

качественные градации этих процессов после нарушения и стабилизации условий на данном участке, судить о которых можно по прогнозным экстремальным значениям средней годовой температуры грунтов;

качественные градации этих процессов, требуемые при данном виде освоения в целях повышения устойчивости сооружений;

термическое сопротивление разных естественных покровов и искусственных покрытий и их влияние на температуру грунтов разного гранулометрического состава и влажности.

2.16.    Термическое сопротивление снежного покрова R_CH рассчитывается по

формуле: R =    где    Н    - мощность, а Х„ - теплопроводность снежно

го покрова. Зависимость R.„ от Н для Западной Сибири дана на рис. 5. Обобщен-

сн сн

ные значения коэффициентов теплопроводности и термосопротивленис наиболее характерных напочвенных покровов приведены в табл. 2. Более детально их значения даны в литературе (21J.

2.17.    В настоящее время разработаны методы прогноза изменений среднегодовой температуры грунта на подошве слоя сезонного промерзания или протаивания [25, 21, 17].

При отсутствии сведений о температуре грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями t_Q можно пользоваться этими данными. Средняя годовая темпера-

17

Рис. 5. Зависимость термического сопротивления снежного покрова от мощности снежной толщи 1 - при среднем значении мощности; 2 - при максимальном значении мощности

тура на подошве сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов в любой год    в основ

ном мало отличается от t_Q. Об этом свидетельствуют данные АГМС и ГМС. Поэтому для ориентировочной оценки качественных градаций сезонного промерзания и протаивалия можно считать, что каждая из них проявляется при тех же значениях средней годовой температуры на подошве сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов, что и в зоне нулевых годовых ее колебаний (см. п. 2.9). Применимы для этого сведения АГМС и ГМС о средней годовой температуре грунтов на 3,2 м и даже 1,6 м. Зная влияние различных природных факторов и искусственных покрытий на температуру грунтов, можно определить, как изменить природную обстановку, чтобы обеспечить определенную среднюю годовую температуру грунтов, а значит и качественную градацию их сезонного промерзания и протаивай ия.

2.18. Влияние естественных покровов и искусственных покрытий на качественные градации сезонного промерзания и протаивал ия зависит от их термического сопротивления, климатических условий исследуемого района, состава и влажности грунтов, периода существования (наличия) покровов и покрытий (холодный, теплый период года, весь год), а применительно к снежному покрову также от режима снегонакопления.

Влияние покровов и покрытий на температуру грунтов оценивается по величине их термического сопротивления (см. табл. 2). Поэтому не имеет принципиального значения, что применить в качестве теплоизоляционного слоя, если не оговаривается дополнительных ограничений, касающихся не сезонного промерзания и протаивал ия грунтов, а воздействия данного покрова или покрытия на особенности грунтов или сооружений. Важно лишь, чтобы покров или покрытие имели термическое сопротивление, обеспечивающее изменение температуры грунта, требуемое для определенных качественных изменений сезонного промерзания и протаивалия.

УДК 624.139. А 3

Рекомендованы к изданию геокриологической секцией Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по методике регулирования сезонного промерзания и протаивания грунтов и развития термокарста при освоении Западной Сибири /ПНИИИС. - М.: Стройиздат, 1988. — 72 с.

Предложены методы регулирования качественных и количественных показателей сезонного промерзания и протаивания, приемы количественной оценки изменения параметров среды, способствующих прекращению развития термокарста, а также вызывающих и стимулирующих протаиваяие грунтов.

ДЛЯ инженеров-геологов, геокриологов, мелиораторов и специалистов по охране природной среды.

Табл. 10, ил. 22.

3202000000 - 265

_______________Инструкт.-нормат.,    I    вып.    -115-88

047(01) -88

ПРЕДИС ЛОВИ Е

Западная Сибирь - один из наиболее интенсивно осваиваемых в настоящее время регионов СССР. Огромные масштабы освоения и сложные инженерно-геологические и геокриологические условия этого региона требуют особого подхода к решению проблем рационального использования и охраны природной среды.

При инженерном освоении территории существенные изменения природной обстановки неизбежны, и задача состоит в том, чтобы исключить или хотя бы уменьшил» их отрицательные последствия. Велма чувствительны к нарушению естественной обстановки геокриологические условия региона. Это приводит к возникновению и активизации ряда криогенных процессов, отрицательно влияющих на инженерные сооружения. Важнейшими из них являются процессы сезонного промерзания и протаивалия грунтов, повсеместные в Западной Сибири. С их проявлением связано развитие большей части криогенных процессов, осложняющих освоение территории: криогенного пучения и неравномерной осадки грунтов, солнфлюкции, сплывов. термоэрозии, термокарста и т.д. С изменений сезонного промерзания и про-таивания начинаются общие изменения геокриологической обстановки. Для того чтобы избежать или уменьшить отрицательные последствия изменений геокриологических условий требуется прежде всего уметь предвидеть и не допускать нежелательные изменения сезонного промерзания и прохаивания грунтов. Особенно опасны их изменения на участках сильно льдистых вечномерзлых толщ. Если не принять своевременных мер, сезонное протаивайие грунтов может перейти в многолетнее и обусловить на таких участках развитие термокарста.

В настоящих Рекомендациях рассматриваются некоторые методы регулирования сезонного промерзания и протай ван ия грунтов и методы предотвращения или уменьшения развития термокарста, если не удалось исключить его проявление.

Рекомендации разработаны ПНИИИС Госстроя СССР (д-р геогр. наук Е.А. Впорина, кандидаты геол.-минерал. наук В.П. Чернядьев, СЮ. Пам узин, канд. геогр. наук И. И. Шаманова).

3

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Ы. Сезонным промерзанием (протаиванием) грунтов называется промерзание (протаивалие), длящееся более одних суток, но менее одного года с сезонной ритмичностью проявления.

1.2.    Многолетним протаиванием грунтов называется протаивание, длящееся более одного года.

1.3.    Термокарстом называется процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся осадками протаявшего грунта и возникновением отрицательных форм рельефа. Этот процесс развивается вследствие многолетнего протаивалия льдистых вечномерзлых грунтов или увеличения глубины сезонного протаивайия (при отрицательных среднегодовых температурах грунта) в результате естественной динамики климата и эволюции ландшафтов, а также при техногенных воздействиях.

1.4.    Регулированием называется целенаправленное изменение качественных и количественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов и интенсивности проявления термокарста. Цель регулирования - предотвращение или уменьшение отрицательного и усиление положительного прямого и косвенного влияния данных процессов на здания и инженерные сооружения, охрана природной среды.

1.5.    Регулирование сезонного промерзания и протаивания грунтов и проявления термокарста всегда проводится локально, на участках, где естественные особенности данных процессов или их изменения после нарушения природных условий приводят к отрицательным последствиям.

1.6.    В естественных и нарушенных условиях качественные и количественные показатели сезонного промерзания и протаивания грунтов переменны во времени и пространстве. За репрезентативный период их изучения условно можно принять период, равный 30 годам, включающий природное многообразие зимних и летних погодных условий [9].

1.7.    Разработке мероприятий по регулированию сезонного промерзания, протаивания грунтов и термокарста предшествуют^-

исследование этих процессов в естественных условиях и районирование осваиваемой территории с учетом особенностей их проявления;

изучение льдистости верхней части вечномерзлых грунтов мощностью 10-15 м и температуры в зоне с нулевыми годовыми колебаниями, районирование территории с учетом этих показателей;

районирование территории по характеру предстоящих нарушений природной обстановки;

прогноз возможных изменений качественных и количественных показателей сезонного промерзания и протаивания и проявления термокарста при запланированных нарушениях природной обстановки и составление прогнозной карты;

выявление ’’опасных” участков, на которых изменения сезонного промерзания и протаивания грунтов приведут к нежелательной активизации лигокриогенных процессов, включая термокарст, и для которых требуется разработать методы регулирования этих процессов;

определение критической величины теплового воздействия на грунты ’’опасных” участков, обусловливающей переход сезонного протаивания в многолетнее и развитие термокарста.

1.8.    Сведения о природных качественных и количественных показателях сезонного промерзания и протаивалия грунтов можно получить путем полевых исследований этих процессов [5], анализа данных агрометеостанций (АГМС) и гидрометеостанций (ГМС), по литературным источникам; о термокарсте -путем полевых исследований и по литературным данным.

1.9.    При разработке методов регулирования процессов сезонного промерзания и протаивалкя грунтов, проявления термокарста необходимо иметь в виду, что инженерно-геокриологические условия, формирующиеся к окончанию строительства, не соответствуют исходным, зафиксированным в момент производства инженерно-геологических изысканий. Поэтому теоретической основой регулирования процессов сезонного промерзания, протаивайия и термокарста является прогноз изменения геокриологических условий при хозяйственном освоении территории [6,8, 10, 17, 25, 26 ].

Вопрос о методах регулирования данных процессов индивидуально должен решаться для каждого ’’опасного” участка.

1.10.    Сезонное промерзание и протаивалие грунтов на любой территории проявляются сопряженно, сменяясь во времени в течение года. Направленно изменяя один из них, необходимо учитывать возможные изменения другого и их последствия, которые могут оказаться нежелательными.

Нередко опасно для зданий и сооружений изменение не самих процессов сезонного промерзания и протаивай ия, а какого-либо связанного с их особенностями литокриогенного процесса (пучения, солифлюкции, сплывов, осадки и тщ.). В этом случае также требуется регулирование прежде всего сезонного промерзания и протаивал ия грунтов.

1.11.    В процессе и после окончания строительства необходимо проводить дополнительное обследование участков с наиболее сложными инженерно-геокриологическими условиями, где требовалось регулирование сезонного промерзания, протай ван ия грунтов и термокарста. Это позволяет уточнить представления об инженерно-геокриологической обстановке, сформировавшейся после техногенных нарушений, оценить эффективность мероприятий по регулированию названных процессов и внести соответствующие изменения при недостаточной эффективности таких мероприятий.

2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ И ПРОТАИВАНИЯ ГРУНТОВ

РЕГУЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ И ПРОТАИВАНИЯ ГРУНТОВ

2.1. Сезонное промерзание и протаивал ие грунтов — сложные литокриогенные процессы, каждому из которых свойствен комплекс качественных и количественных показателей (рис. 1). Качественными называются показатели, выражающие основную специфику процессов, не поддающиеся прямому количественному измерению.

Качественные показатели этих процессов зональны. Особенности их изменений в Западной Сибири показаны на картах-схемах (рис. 2, 3). Приступая к раз-

5

Рис. I. Общая классификации спошюго промфияю» и пропивания груктои *и’ Гпр‘ v’ " “ ’•лтиые. а Ти> г . V, h - средние многолетние мочения качала,продолжительности периода фактического проявления. скорости и глубины сЛо иного промерзания и пропивания: О - среднее квадратическое отклонение частных мочений от среднего

с его ежегодным проявлением, и редкое, если средняя длительность перерывов в проявлении процесса больше средней длительности периодов с ежегодным его проявлением за тот же период.

2.3.    По устойчивости в течение холодного (теплого) периода года эти процессы бывают: устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивым называется сезонное промерзание (протаиваяие), в течение холодного (теплого) периода не сменяющееся полным про га и ван ием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов. Неустойчивым называется сезонное промерзание (протаиванис), в течение холодного (теплого) периода года сменяющееся полным протаиванием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов.

2.4.    По направленности относительно дневной поверхности выделяются две

модификации сезонного промерзания и протаивалия:    прямое,    направленное

от дневной поверхности (или дна водоема, водотока) вглубь грунтов, и возвратное, направленное от поверхности грунтов, подстилающих сезонно-талые и сезонномерзлые, к дневной поверхности или дну водоема, водотока. В природе проявляется: однонаправленное сезонное промерзание (протаивание) — прямое или возвратное, и двунаправленное при совокупном проявлении прямого и возвратного промерзания (протаивания).

2.5.    Двунаправленное сезонное промерзание (протаивание) бывает: синхронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются одновременно. и мстахронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются неодновременно. Метахронное сезонное промерзание (протаивание) разделяется на:

прямоупреждающее, если прямое промерзание (протаивание) начинается раньше возвратного, и возвратно упреждающее, если раньше начинается возвратное сезонное промерзание (протаивание).

2.6.    Регулируя качественные показатели этих процессов можно:

сделать их проявление несистематическим вместо систематического и наоборот;

изменить период проявления устойчивого и неустойчивого сезонного промерзания и протаивания;

исключить или обусловить возвратное промерзание или протаивание;

изменить соотношение дат начала прямого и возвратного промерзания или протаивания. На рис. 4 дана схема изменений качественных градаций сезонного промерзания грунтов и их реальная возможность.

2.7.    Изменение качественных показателей этих процессов позволяет:

наиболее существенно воздействовать на их количественные показатели, на

льдистость и криогенные особенности среды их проявления;

стимулировать или исключать проявление ряда других л иго криогенных процессов (солифлюкция, с илы вы, термокарст, пучение и др.), изменять их динамику;

воздействовать на ход почвообразовательных процессов, замедлять или ускорять загрязнение грунтовых вод, заболачивание территории, способствовать сохранению природной среды и т.д.

В табл. 1 показано изменение льдистости тонкодисперсных сезонно-мерзлых грунтов и свойственного им комплекса лигокриогенных процессов при изменении качественных градаций сезонного промерзания в области близко залегающих вечномерзлых грунтов.

Рис. 4. Схема возможных изменений качественных градаций сезонного промерзания в области вечномерзлых грунтов

1 - частые изменения; 2 - редкие; 3 -очень редкие; 4 — номера качественных градаций сезонного промерзания (см. табл. 1)

-^    W--W

2.8.    Регулирование качественных показателей сезонного промерзания и протаивай ия сводится к направленному изменению естественного прогрева и охлаждения грунтов. Методы их регулирования до сих пор не предложены, поскольку названный комплекс качественных показателей (см. пп. 2.2-2.5) выделен недавно [2-4].

2.9.    В зависимости от значений температуры грунтов t_Q в зоне с нулевыми годовыми ее колебаниями проявляются следующие градации сезонного промерзания и про таи ван ия грунтов [4], °С:

t_Q > 15 - сезонное промерзание и протайвание грунтов несистематические за многолетний период и неустойчивые за год, промерзание однонаправленное прямое, протаивайис двунаправленное возвратноупреждающее или однонаправленное возвратное;

t_Q < 15 - сочетание систематического и несистематического, вследствие ежегодных колебаний глубины проявления, устойчивого и неустойчивого из-за различий погодных условий сезонного промерзания и протаивай ия грунтов;

15 > t_Q > 5 - сезонное промерзание однонаправленное, прямое, сезонное протаивалие двунаправленное возвратноупреждающее;

5    & t_Q > 4 -промерзаниепрямое,протаиваниедвунаправленное синхрон

ное;

4 > t_Q > 0,5 - промерзание прямое, протаивание двунаправленное прямо-упреждающее;

+0,5 > t_Q > -0,5 - промерзание и протаивание однонаправленные прямые;

-0,5 > t_Q > -4 — промерзание двунаправленное прямоупреждающее, протаивание однонаправленное прямое;

-4 > t_Q ^ “5 — промерзание двунаправленное синхронное, протаивание прямое;

t_Q < -5 - промерзание двунаправленное возвратноупреждающее, протаивание прямое.

9