УДК 551.34
ББК 26.361
Х20
Авторы:
Стюарт А. Харрис
Географический факультет Университета Калгари, Альберта, Канада
Анатолий Брушков
Кафедра геокриологии геологического факультета Московского
государственного университета им. М. В. Ломоносова, Россия
Годун Чэн
Научно-исследовательский институт проблем строительства
и окружающей среды холодных и сухих районов,
Китайская Академия Наук, Ланьчжоу, Китай
Рецензенты:
Мельников В. П. — академик РАН, профессор, доктор геолого-минералогических наук,
директор Института Криосферы Земли СО РАН,
Трофимов В. Т. — профессор, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой
инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова
Харрис, С. А.
Х20
Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. В 2 т.
Т. II / С. А. Харрис, А. В. Брушков, Г. Чэн ; под ред. А. В. Брушкова ; пер.
В. А. Сантаевой и А. В. Брушкова. — Москва ; Берлин : Директ-Медиа,
2020. — 362 с.
ISBN 978-5-4499-1576-4
Настоящая работа предназначена для того, чтобы быть обзором молодой науки геокриологии,
которая представляет собой исследование вечной мерзлоты, её характера, особенностей,
процессов и распространения на Земле. Вечная мерзлота — результат особых климатических
и геологических условий, в которых возникают мёрзлые горные породы и подземный
лёд. Она оказывает огромное влияние на деятельность человека в холодных районах и окружающую
среду в Арктике. Здесь встречается уникальная группа ландшафтных явлений и мерзлотных
процессов, описанных в книге, которых нет в других местах. Человечество извлекает
все больше ресурсов из этих регионов, и требуется знание геокриологии, чтобы проводить
здесь инженерные изыскания, проектирование, строительство и успешно реализовать экономические
проекты. Эта книга написана тремя специалистами, представляющими три страны с
обширными областями вечной мерзлоты. Вместе авторы имеют более 120-летний опыт исследований
и участия в проектах на вечной мерзлоте во всем мире, и в этой работе они попытались
обобщить свои знания. Книга предназначена для студентов геологических, географических,
инженерных специальностей, ученых и инженеров, работающих в области
распространения вечной мерзлоты.
УДК 551.34
ББК 26.361
ISBN 978-5-4499-1576-4
© Харрис С. А., Брушков А. В., Чэн Г., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020
Стр.3
Оглавление
ЧАСТЬ III. ОСВОЕНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ ...................................................................... 7
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 7
ГЛАВА 12. МЕХАНИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ .............................................................. 10
12.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 10
12.2. НАПРЯЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ
И ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТАХ, ПРИВОДЯЩИЕ К МОРОЗНОМУ ПУЧЕНИЮ ..... 11
12.3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ................................................................... 19
12.4. ПУЧИНИСТОСТЬ ........................................................................................... 28
ГЛАВА 13. ФУНДАМЕНТЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ: НАДЁЖНОСТЬ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ ........................................................................................................ 32
13.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 32
13.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ КОНСТРУКЦИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ ...................................................................... 35
13.3. ВЫБОР ПРИНЦИПА СТРОИТЕЛЬСТВА ...................................................... 37
13.4. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................................................................... 38
13.5. ВРЕМЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ............................................................................ 40
13.6. ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ .................................................................................. 41
13.6.1. Грунтовые насыпи ................................................................................... 41
13.6.2. Плиты ....................................................................................................... 42
13.6.3. Фундамент из балок ................................................................................ 43
13.6.4. Столбчатый фундамент .......................................................................... 43
13.6.5. Сваи .......................................................................................................... 45
13.6.6. Термосифоны .......................................................................................... 51
13.6.7. Искусственное охлаждение .................................................................... 58
13.6.8. Вентиляционные каналы ........................................................................ 58
13.6.9. Угол наклона боковых частей насыпи .................................................... 60
13.6.10. Уборка снега .......................................................................................... 61
13.6.11. Температурная сдвижка ........................................................................ 61
13.6.11.1. Затенение ........................................................................................ 66
13.6.12. Теплоизоляция ...................................................................................... 68
13.6.13. Использование геотекстиля и водонепроницаемого пластика .......... 69
3
Стр.4
Оглавление
ГЛАВА 14. АВТОМОБИЛЬНЫЕ И ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ, АЭРОДРОМЫ ................. 71
14.1. ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 71
14.2. ПРОБЛЕМЫ ДОРОГ ....................................................................................... 71
14.3. ТИПЫ ДОРОГ ................................................................................................. 72
14.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАСЫПИ .............................................................. 74
14.5. ЗИМНИЕ ДОРОГИ .......................................................................................... 75
14.6. ВЛИЯНИЕ ЗИМНИХ ДОРОГ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ .......................... 77
14.7. ВЫСОТА НАСЫПИ ......................................................................................... 78
14.8. ГРУНТОВЫЕ НАСЫПИ ДОРОГ ..................................................................... 80
14.9. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ НАСЫПЕЙ ............................ 89
14.10. БЕТОННЫЕ И БАЛЛАСТНЫЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПУТИ .................. 96
14.11. ПОКРЫТИЕ ДОРОГ И АЭРОДРОМОВ ....................................................... 98
14.12. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕЛОЙ ОКРАСКИ ..................................................... 101
14.13. МОСТЫ ....................................................................................................... 101
14.14. НАЛЕДИ ...................................................................................................... 105
14.15. ПОДРЕЗАННЫЕ СКЛОНЫ ......................................................................... 109
14.16. СТРОИТЕЛЬСТВО АЭРОДРОМОВ .......................................................... 110
ГЛАВА 15. НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ................................................. 114
15.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 114
15.2. РАЗВЕДКА НЕФТИ И ГАЗА ......................................................................... 115
15.3. БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ .............................................................................. 116
15.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СКВАЖИНЫ ......................................................... 118
15.5. ПРОБЛЕМА ОТСТОЙНИКОВ ...................................................................... 119
15.6. ТРУБОПРОВОДЫ ........................................................................................ 121
15.6.1. Подземный тип ...................................................................................... 121
15.6.2. Трубопроводы на свайных фундаментах ............................................ 131
15.6.2.1. Особенности конструкции .............................................................. 132
15.6.2.3. Методика строительства ................................................................ 135
15.6.2.4. Отказы в подземной части ............................................................. 135
15.7. МОНИТОРИНГ.............................................................................................. 136
15.8. КОМПРЕССОРНЫЕ СТАНЦИИ ................................................................... 137
15.9. ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ .......................................................... 139
15.10. ВЛИЯНИЕ АДВЕКТИВНОГО ПЕРЕНОСА ТЕПЛА
ОТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СКВАЖИН ............................................................... 141
15.11. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ ................................................ 142
ГЛАВА 16. ГОРНОЕ ДЕЛО В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ ............................... 147
16.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 147
4
Стр.5
Оглавление
16.2. РОССЫПНАЯ ДОБЫЧА ............................................................................... 147
16.3. ОТКРЫТАЯ ДОБЫЧА ................................................................................... 151
16.3.1. Разведочные работы ............................................................................. 152
16.3.2. Извлечение руды ................................................................................... 153
16.4. ПОДЗЕМНАЯ ДОБЫЧА ................................................................................ 158
16.4.1. Транспорт руды в шахте ....................................................................... 160
16.4.2. Вспомогательные объекты ................................................................... 161
16.5. ОТХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ХВОСТОХРАНИЛИЩА ................................ 162
16.5.1. Токсичные отходы ................................................................................. 165
ГЛАВА 17. КОММУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО .............................................................. 169
17.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 169
17.2. ВОДОСНАБЖЕНИЕ ..................................................................................... 169
17.2.1. Источники воды ..................................................................................... 170
17.2.2. Плотины на вечной мерзлоте ............................................................... 173
17.2.3. Хранение воды ...................................................................................... 176
17.2.4. Очистка воды ......................................................................................... 177
17.2.5. Потребность в воде ............................................................................... 179
17.2.6. Методы транспортировки воды ............................................................ 181
17.3. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ............................................................................ 184
17.3.1. Очистка и утилизация сточных вод ...................................................... 184
17.3.1.1. Неразбавленные сточные воды .................................................... 184
17.3.1.2. Умеренно разбавленные отходы ................................................... 185
17.3.1.3. Сточные воды обычной концентрации .......................................... 185
17.3.1.4. Сильно разбавленные сточные воды............................................ 186
17.3.2. Утилизация твердых отходов ............................................................... 186
17.4. ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ ........................................................................ 188
17.4.1. Проблемы фундаментов линий передач в зоне вечной мерзлоты ... 188
17.4.2. Типы фундаментов опор ....................................................................... 190
ГЛАВА 18. СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО ..................................................... 194
18.1. ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 194
18.2. ЗОНАЛЬНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СИБИРИ ......................................... 198
18.3. ЗОНАЛЬНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СЕВЕРНОЙ АМЕРИКИ ................. 200
18.4. ЮЖНЫЙ И ВОСТОЧНЫЙ КАЗАХСТАН, МОНГОЛИЯ И ПЛАТО
ЦИНХАЙ-ТИБЕТ .................................................................................................... 202
18.5. ЗОНЫ ЭЙХФЕЛЬДА ..................................................................................... 203
18.5.1. Зона Эйхфельда I .................................................................................. 206
18.5.2. Зона Эйхфельда II ................................................................................. 206
5
Стр.6
Оглавление
18.5.3. Зона Эйхфельда III ................................................................................ 206
18.5.3.1. Северная Тайга ............................................................................... 206
18.6. АЗИАТСКИЕ ТРАВЯНИСТЫЕ СТЕПИ И ПУСТЫНИ.................................. 209
18.7. РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННОГО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
В КРИОЛИТОЗОНЕ ............................................................................................... 212
18.8. ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО ................................................................................ 213
18.9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА ................ 214
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................... 217
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ........................................................................................ 360
Стр.7