Оценка пучиноопасности сезонно-промерзающих и сезонно-оттаивающих грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород (На примере Читино-Ингодинской впадины)

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В последние десятилетия для ученых всего мира актуальными являются вопросы, связанные с оценкой развития криогенных процессов при деградации многолетнемерзлых пород, вызванной потеплением климата. Особенно активно она протекает в пределах южной периферии распространения многолетнемерзлых пород, к которой относится территория исследований - Читино-Ингодинская впадина (Шполянская, 1978). Анализ опыта строительства и эксплуатации инженерных сооружений в ее пределах показал, что, начиная с середины ХХ века количество зданий построенных на вечной мерзлоте, в результате воздействия криогенного пучения нуждающихся в косметическом и капитальном ремонте постоянно увеличивается, а многие из них уже находятся в аварийном состоянии (Демидюк, 1964; Демидюк, Шестернев, 1989; Сальников, 1996 и др.). Это свидетельствует об актуальности, научном и прикладном значении темы диссертационной работы, открывающей возможность производить оценку пучиноопасности грунтов на основе анализа динамики и закономерностей деградации криолитозоны в условиях потепления климата.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является оценка изменений пучиноопасности грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород в процессе потепления климата в ХХ веке на примере одного из районов южной периферии криолитозоны в Центральном Забайкалье - Читино-Ингодинской впадины.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Выполнить критический анализ результатов, теоретических и экспериментальных (полевых и лабораторных) исследований криогенного пучения грунтов и на его основе разработать комплексную методику оценки пучения в районе работ.

2. На основе полевых инженерно-геологических и инженерно-геокриологических исследований развития многолетнемерзых пород в условиях потепления климата, выявить основные тенденции в изменении распространения и глубин залегания кровли многолетнемерзлых пород.

3. Оценить изменения основных классификационных признаков типов сезонного промерзания и сезонного оттаивания грунтов вследствие деградации многолетнемерзлых толщ, составить карты типов сезонномерзлого и сезонноталого слоя пород и на их основе произвести сопоставление геокриологических условий современных и наблюдавшихся, до начала интенсивного потепления климата в районе работ в 1960 г.

4. Произвести лабораторные исследования криогенного пучения грунтов рассматриваемой территории и разработать методики определения свойств крупнообломочных грунтов для математического моделирования процесса.

5. Определить основные закономерности криогенного пучения грунтов в современных условиях для обеспечения эффективной эксплуатации зданий и инженерных сооружений.

Научная новизна работы. В работе реализован современный подход к изучению пучиноопасности сезонно-промерзающих и сезонно-оттаивающих грунтов в условиях деградации многолетнемерзлых пород при потеплении климата, основанный на применении разработанной комплексной методики оценки пучения применительно к территории работ.

В результате этого:

1. Впервые составлены электронные схематические карты типов сезонного оттаивания и промерзания пород для первой половины XX века, характеризующейся практически постоянным значением среднегодовой температуры воздуха (1890 - 1960 гг.), и на период относительно интенсивного ее повышения (1960 - 2002 гг.), которые позволили оценить деградацию многолетнемерзлых пород в пространстве и во времени в конкретных условиях Читино-Ингодинской впадины.

2. Установлено, что потепление климата привело к деградации многолетнемерзлых пород - сокращению мощности и площади их распространения, формированию многолетнемерзлых пород несливающегося типа, увеличению глубин сезонного промерзания и сезонного оттаивания грунтов, повышению уровня грунтовых вод, что способствовало более интенсивному развитию криогенного пучения грунтов.

3. Экспериментально установлена зависимость криогенного пучения крупнообломочных грунтов от типа и содержания мелкодисперсного заполнителя при различных градиентах и скоростях промерзания пород. Полученные данные позволили обоснованно выбрать математическую модель для расчета величины криогенного пучения.

4. Для всех выделенных типов сезонноталых и сезонномерзлых пород выполнена оценка величины пучения грунтов и впервые составлены схематические карты изменения пучиноопасности территории Читино-Ингодинской впадины при деградации многолетнемерзлых пород.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в рамках программы РАН <Природные процессы в криосфере, гидросфере, атмосфере и ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия> и проекта СО РАН <Исследование кинетики и механики криогенных процессов в горно-складчатых областях юга криолитозоны России в условиях глобального изменения климата>. Госуд. рег. N 0120.0 4086356.

Лично автором были проведены сбор и обработка фондового материала, составлены электронные схематические карты (масштаб 1:50 000) четвертичных отложений, схематические карты типов сезонного оттаивания и сезонного промерзания пород, схематические карты пучиноопасности грунтов территории исследования на различные периоды деградации многолетнемерзлых пород в XX веке. Кроме того, автор в составе лаборатории общей криологии Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН участвовал в проведении экспериментальных исследований пучения грунтов района работ, в полевых и лабораторных условиях.

Практическое значение работы. Результаты исследований использованы при составлении <Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. ТСН 50-305-2004 Читинской области. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2005. - 28 с> (Приняты и введены в действие c 21. 09. 2004 г. Постановлением Администрации Читинской области от 21.09. 2004 г. N 172 -А/п; зарегистрированы Департаментом строительства и ЖКХ Министерства промышленности и энергетики Российской федерации от 28 декабря 2004 г. N 10-1300/5).

Схематические карты (масштаб 1:50 000): четвертичных отложений, карты типов сезонного оттаивания и промерзания пород, пучиноопасности грунтов территории исследований переданы в ОАО <ЗабайкалТИСИЗ> и ОАО <Читагражданпроект>. Кроме того, они включены в программу курса лекций по дисциплине <Инженерное мерзлотоведение> кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, Читинского государственного университета.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме <Инженерное мерзлотоведения> (Якутск, 2002), III конференции геокриологов России (Москва, 2005), VII Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Нерюнгри, 2006), Международной конференции <Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений> (Тюмень, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит 145 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 23 таблицы, 16 текстовых приложений, в которых приведены математические модели, используемые для решения отдельных вопросов и результаты расчетов, 5 графических приложений. Она состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы из 167 наименований.

Автор благодарит ген. директора "ЗабайкалТИСИЗа" Калашникова А.Н. и его заместителя Ларина А.В. за предоставленную возможность работы с фондовыми материалами; директора Забайкальского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, к.г.н. Обязова В.А. - за помощь в сборе и обработке метеоданных; ведущего специалиста ПГО "ЧитаГеология", к.г.-м.н. Еникеева Ф.И. - за консультации при составлении схематической карты четвертичных отложений территории исследования; ведущего научного сотрудника кафедры геокриологии, геологического факультета МГУ, к.г.-м.н. Булдовича С.Н. - за оказанную помощь по математическому моделированию.

Автор искренне признателен сотрудникам кафедры геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова за помощь при решении проблем связанных с проведением экспериментальных исследований по теме диссертации.

Особую благодарность автор высказывает заведующему кафедрой геокиологии МГУ профессору Э.Д. Ершову и его заместителю к.г.-м.н. Зайцеву В.Н. за постоянную поддержку при проведении исследований и написании диссертационной работы.

Свою глубокую признательность автор выражает д.г.-м.н., профессору Гарагуле Людмиле Семеновне, под руководством которой написана диссертационная работа.