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

Вторая глава.

Во второй главе предложена методика комплексных исследований криогенного пучения и пучиноопасности сезоннопромерзающих и сезоннооттаивающих грунтов с учетом изменения климата.

Структура предложенной методики состоит из 4-х основных блоков исследований.

В первом блоке методические разработки посвящены созданию основных принципов получения массивов количественной информации и выборе методик их обработки. Они обеспечили получение массивов количественной информации переменных входящих в структуру аналитических моделей для дифференциальной оценки вклада основных факторов природной среды и интегральной оценки формирования среднегодовых температур и мощности слоя сезонного оттаивания и промерзания пород в ходе потепления климата. Для минимизации последующих теоретических исследований применялись методы математической статистики.

Численные значения характеристик физико-механических свойств грунтов были получены в ходе проведения инженерно-геологических изысканий, в которых автор принимал непосредственное участия при прохождении практики в ОАО <ЗабайкалТИСИЗе> и в ходе экспериментальных исследований пучения пород в Институте природных ресурсов экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СО РАН).

Второй блок включал методику количественной дифференциальной и интегральной оценки формирования температурного режима и мощности слоя сезонного оттаивания и промерзания пород. За ее основу была прията известная методика С.Н. Булдовича (2001, 2005), разработанная на кафедре геокриологии МГУ, позволяющая получить эти параметры с учетом теплооборотов, термических сопротивлений снега и почвенно-растительного покрова. Поскольку в районе работ повсеместно распространены крупнообломочные породы, для получения теплофизических характеристик использовалась математическая модель, разработанная на кафедре геокриологии Д.М. Шестеневым (1980). Во всех остальных случаях руководствовались таблицами, приведенными в СНиП 2.02.04-88.

В третьем блоке для оценки пучения грунтов был использован комплекс полевых и лабораторных методов исследований: метод полевых исследований пучения грунтов на стационарных площадках, согласно методически рекомендациям ВСЕГИГЕО (1979), и метод лабораторных исследований при участии автора в Читинской лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН.

Впервые в Читинской лаборатории Института мерзлотоведения был сконструирован экспериментальный крупногабаритный стенд для изучения пучения крупнообломочных пород (Рис. 1). Автор данной работы принимал непосредственное участие в исследовании криогенного пучения крупнообломочных пород на данном стенде. Экспериментальный стенд был сконструирован с использованием холодильного шкафа "Gronland". Конструкция стенда позволяла осуществлять замораживание образцов грунта по типу "закрытых" и "открытых" термодинамических систем. Температура воздуха в камере холодильника (11) задавалась и поддерживалась в установленных пределах (точность 0,2^oС), обеспечивая постоянство во времени граничных условий на верхних торцах образцов. Выравнивание температур в камере холодильника обеспечивалось перемешиванием воздуха вентилятором (10). Образцы пород (1) в рабочих кассетах (2) из оргстекла толщиной 10 - 15 мм устанавливались на электронный тепловой штамп. С помощью электронного термостата (теплового штампа) на нижней поверхности образцов пород в течение эксперимента поддерживалась температура 0^oС (точность 0,2^oС, градиент по поверхности от центра к периферии не превышал 0,025^oС). Для достижения этого применялась электронная схема с обратной следящей связью, состоящей из 3 структурных блоков: датчика температуры - терморезистора (3), нагревателя из батареи транзисторов (6) и электронной схемы управления (13) с источником питания (14). Батарея транзисторов помещалась на дюралевой пластине (7), ограничивающей снизу коллектор воды (5). В ходе эксперимента он заполнялся крупно- или средне-зернистым промытым кварц-полевошпатовым песком. Коллектор воды отделялся от образца пород дюралевой пластиной (4) с отверстиями диаметром 0,1 см на расстоянии 0,5 см. Это обеспечивало равномерное поступлении влаги в промерзающий образец грунта. Подвод воды в коллектор обеспечивался по трубкам из лабораторного стекла (8) диаметром 1 см, что позволяло контролировать расход воды, обеспечивающий непрерывность ее поступления в образцы пород за счет внешнего миграционного потока. Величина линейной деформации промерзающих пород фиксировалась индикатором часового типа (9), опирающимся на вмороженную пластину (15), предохраняющую их от иссушения (сублимации). Для контроля температур образцов пород применялись термогирлянды. Для их изготовления использовались терморезисторы. Изменение их сопротивлений контролировали мостом сопротивлений МО-62 (Рис. 1).

Применение электронного штампа для термостатирования образцов исследуемых пород технически является принципиально новым решением рассматриваемой проблемы. Разработанный электронный тепловой штамп представляет собой электронный термостат, поддерживающий заданную температуру на нижней поверхности образца пород.

Проверка распределения температур на поверхности штампа показала, что точность ее распределения не превышает точность используемой схемы для контроля 0,1^oС.

Для создания заданных свойств моделей крупообломочных пород использовался специально разработанный стенд, рабочая кассета которого имела высоту 30 см, площадь периметра 100 см² (рис. 2)

Четвертый, завершающий блок исследований был сформирован на базе методики Л.С. Гарагули (1983, 1985), реализация которой предусматривала наличие данных о динамики климатических параметров в регионе, знание классификационных параметров типов сезонного промерзания и оттаивания пород по амплитуде и температуре, дисперсного состава пород и наличия сведений о годовом режиме грунтовых и надмерзлотных вод. Эти данные были получены автором в ходе проведения полевых исследований, а также при анализе изменения температур воздуха по данным метеостанции города Читы.

Таким образом, логика построения методики комплексных исследований предусматривала, включение известных методик, в отдельных случаях частично модифицированных для решения поставленных задач с учетом региональных особенностей природных условий.

Статистическая обработка количественной информации по изменению среднегодовых температур воздуха, с использованием для сглаживания полинома третьей степени, позволила установить тренд их изменения в прошлом столетии и, таким образом, обосновать два периода: 1-й период с относительно постоянным значением среднегодовых температур воздуха (1890-1960 гг.) и 2-й период - относительно интенсивного повышения температур воздуха (1960-2002 гг.), (рис. 3).

В дальнейшем эта информация явилась основой для получения других количественных массивов информации, которые были использованы для установления температурного режима пород слоя сезонного оттаивания и промерзания, с последующим использованием математической модели С.Н. Булдовича (2001, 2005) и вербальных моделей Л.С. Гарагули (1983, 1985), для пространственной оценки пучиноопасности территории исследования. Методика экспериментальных исследований пучения пород на стационарных площадках учитывала особенности состава и строения пород региона и позволяла целенаправленно получать данные, по изменению параметров пучения в ходе короткопериодного изменения климата (4-5 лет).