Геокриология. Характеристики и использование вечной мерзлоты. В 2 т. Т. 2

Стюарт А. Харрис 
Анатолий Брушков 

Годун Чэн

ГЕОКРИОЛОГИЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ 

И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Том II

Под редакцией А. В. Брушкова

Перевод В. А. Сантаевой и А. В. Брушкова

Москва
Берлин

2020

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 геокрио
логии, 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

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

Оглавление

4

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

Оглавление

5

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

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

Часть III

Освоение криолитозоны

ВВЕДЕНИЕ

Очевидно, что использование областей вечной мерзлоты человечеством 

намного сложнее, чем других территорий. Но нам нужны природные ресурсы,
и запасы полезных ископаемых и лесов, расположенные в районах с вечной 
мерзлотой. Соответственно, становится жизненно важным определить лучшие 
методы для развития этих районов и привлечения ресурсов в регионы, где проживает большинство людей. Осознание того, что изменения климата постоянно 
происходят в дополнение к кратковременным колебаниям, приводит к дополнительным осложнениям для строительства объектов, которые не рассматривались в большинстве предыдущих работ в районах вечной мерзлоты (Bobov, 1977; 
Vyalov et al., 1993, 1997; Pavlov, 1994, 1996; Анисимов и Нельсон, 1996; Анисимов
и др., 1997; Балобаев и Павлов, 1998; Трофимов и др., 2000).

Самый длительный опыт освоения холодных областей вечной мерзлоты при
надлежит россиянам (Harris, 1986; Афанасенко и др., 1989), которые завоевали 
северную часть Сибири в период с 1490 по 1692 год (Цытович, 1966, Fullard & 
Treharne, 1972). Первоначал русские использовали старые пути коренных народов, но трудности отмечались в ранних военных сообщениях Глебова и Головина 
ещё в 1642. Неудачная попытка Шергина найти воду в колодце в Якутске привела
к исследованиям академика А. Ф. фон Миддендорфа, который первым начал измерения температур горных пород (Миддендорф, 1848; Цытович, 1966). Последующие исследования проводились военными, многие
из которых были

из Польши. Самым успешным из них был майор Николай Михайлович Пржевальский, в честь которого была названа медаль Русского географического общества. 
Первая известная карта сибирской вечной мерзлоты была создана Г. Вильдом
в 1882 году (Никифоров, 1928, Баранов, 1959) с использованием изотермы 2°. 
Это поставило южный рубеж мерзлоты слишком далеко на север в Сибири
и слишком далеко на юг в Европе. В 1895 году И. В. Мушкетов с В. А. Обручевым
и другими написали первую «Инструкцию по исследованию мёрзлых грунтов
в Сибири». Н. С. Богданов и А. Н. Львов рассказали об опыте инженеров, строящих Транссибирскую железную дорогу, и искали подходящие источники воды для 
паровых машин, а М. И. Сумгин (1927) опубликовал первый учебник по «Вечной 
мерзлоте в СССР». Это утвердило геокриологию как самостоятельную отрасль 
науки, а «Инженерное дело в холодных регионах» было признано в качестве специальности (Washburn, 1979; Johnston, 1981; Yershov, 1990; Smith & Sego, 1994; 
Kamensky, 1998; Senneset, 2000). Андреева и др. (1995) обобщили методику, 

Часть III. Освоение криолитозоны

8

используемую в России для снижения сложности и неопределённости при принятии решений в использовании Арктических ресурсов.

Первоначально поселенцы в Северной Америке также использовали методы 

коренных народов на Крайнем Севере. После разразившейся войны между Японией
и США североамериканцы быстро собрали доступную информацию

из СССР (Мюллер, 1943, 1946) и начали проводить обширные исследования для 
поддержки строительства Аляскинского шоссе вместе с военными базами на северо-западной Аляске, в Северной и Арктической Канаде. За этим последовало 
развитие систематических исследований для содействия заселению северных 
земель и использованию их ценных минеральных ресурсов. Открытие последних
и, в частности, участков природного газа и нефтяных месторождений, как на берегу, так и на шельфе Северного Ледовитого океана привело к быстрому увеличению численности северных территорий и развитию соответствующих ресурсов
во всем регионе. Другие важные дорогостоящие ресурсы включают алмазы
и уран. Они достаточно ценны для того, чтобы их можно экономически целесообразно добывать при условии, что руду можно обработать на месте, но для этого 
требуется электричество. Крупные месторождения медно-цинковых и свинцовых 
руд известны в таких местах, как Фаро, Юкон, но их разработка не является экономически оправданной в данный момент. Однако рудники в Норильске достаточно близки к побережью, чтобы быть жизнеспособными и поставлять руду Восточной Европе и России, удовлетворяя значительную часть потребностей
в меди, цинке и свинце.

Относительно новая область иссле
дований 
связана
с гидратами 
газа. 

Явление гидратообразования создаёт 
проблемы для бурения в холодных регионах, но скопления гидратов содержат 
огромные запасы природного газа в том 
случае, если будет найден экономически целесообразный метод, чтобы безопасно
их получать
с контролируемой 

скоростью.

В
Китае наличие междугородной 

связи имеет решающее значение для 
его экономического роста наряду с обеспечением адекватных поставок энергии. 
Соответственно, гидроэнергетика и линии электропередач очень важны. Волоконно-оптические кабели были проложены
на огромных 
расстояниях, 

построены автострады, железные дороги
и высокоскоростные железнодо
рожные линии, а трубопроводы поставляют нефть и газ из Сибири. Все они 
должны пересекать области вечной 
мерзлоты и построены так, чтобы обеспечивать 
надёжность
и идти
в ногу

с экономическим ростом этой страны.

Рис. 12.1. Деформации и трещины в здании на вечной мерзлоте в Воркуте, Европейская часть России

Введение

9

В части 3 этой книги рассматривается, какие инженеры разработали методы, 

позволяющие развиваться в районах вечной мерзлоты. Строительство изменяет 
местные условия, которые необходимо учитывать, если строительство должно 
быть успешным (Afanasenko et al., 1991). В главе 12 обсуждаются механические 
свойства грунтов, которые чувствительны к сезонному нагреванию и оттаиванию
в районах вечной мерзлоты. В ней также обсуждается проблема определения морозостойкости и и морозной пучинистости грунтов. За ней следуют главы, касающиеся оснований, линейных транспортных систем, проблем, стоящих перед 
нефтегазовой и горнодобывающей промышленностью, электрическими сетями, 
водоснабжением и удалением отходов, а также сельским и лесным хозяйством. 
Все это требует специальных методов. К сожалению, когда использование территории прекращается, часто выполняется недостаточная реабилитация и восстановление ландшафта до удовлетворительного состояния.

Часть III. Освоение криолитозоны

10

Глава 12. МЕХАНИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

12.1. ВВЕДЕНИЕ

Механическими процессами (mechanical processes) в грунтах являются 

процессы, вызванные внутренними напряжениями различного типа, приводящие
к упругим, вязким или пластическим деформациям (elastic, viscous,
or plastic strains), возникающим с или без разрушения сплошности (Goldshtein, 
1952; Vyalov, 1978). 

Под деформацией понимается изменение формы и (или) объема тела без нарушения его сплошности. Деформации бывают обратимыми (исчезающими после 
снятия нагрузки) и необратимыми (остаточными, или пластическими). Обратимыми являются упругие и эластические деформации. Их природа различна. 
Упругие деформации, строго говоря, обусловлены изменением расстояния 
между атомами. Их аналогом для сложных систем являются эластические деформации, связанные с изменением конформации макромолекул, или, в случае грунтов, взаимодействием составляющих грунта. Закон упругости Гука —
это закон прямой пропорциональности между напряжением и деформацией, 
характерный для идеально упругого тела, моделью которого является спиральная пружина. Остаточные деформации в кристаллических телах возникают
в результате скольжения дислокаций за счет последовательного перескока 
атомов со своего места на соседнее. В грунтах остаточные деформации связаны в основном с изменением положения минеральных частиц и льда. В механике грунтов под реологическими понимают процессы деформирования скелета грунта, протекающие во времени и связанные в основном с остаточными 
деформациями. Развитие во времени объемных деформаций в немерзлых водонасыщенных грунтах в значительной мере определяется процессом отжатия 
или всасывания воды при изменении объема их пор. Развитие таких деформаций грунтов, определяемых только длительностью фильтрации воды, не относят к категории реологических. К реологическим следует относить только протекающие во времени деформации самого скелета.
В глинистых грунтах 

реологические процессы обусловлены вязкими связями между частицами скелета грунта. В мерзлых — течением льда. Под ползучестью понимают деформируемость грунта во времени при постоянной нагрузке. Пластичность — способность материала принимать новую форму и размеры под действием 
внешних сил, не разрушаясь, и сохранять ее после снятия нагрузки. Идеальная 
модель ползучести — так называемый ползун, тело, толкаемое внешней силой, 
двигающееся по поверхности, меняющее свое положение и преодолевающее 
силу трения. Вязкость — свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать 
сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Пример —
Ньютоновская жидкость, идеальная модель — поршень с жидкостью. Упругость — свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после ее снятия. Поведение грунтов 
под нагрузкой имеет сложный характер, в общем виде упруго-пластично-вязкий. Релаксацией называют процесс расслабления (уменьшения) напряжений
в грунтах при заданной неизменной деформации за счет ползучести. Длительная прочность — прочность грунтов при длительном действии на них нагрузки.

Внутренние напряжения в мёрзлых грунтах обусловлены изменением основ
ных термодинамических параметров. Это внешнее давление (P), температура (t)