X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моделирование процесса разрушения жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Объект исследования.
В 8 утра 1 октября 2018 года в п. Тазовский сместился со свайного поля 59-квартирный дом, в котором проживало 138 человек. Жильцы этого дома в течение одного дня были эвакуированы. Дом был построен в 1987-м году. Ранее в здании располагалась гостиница «Ютэйр», сейчас в нём – малосемейное общежитие.
Капитальный ремонт дома проводился в 2011 году. В плане капитального ремонта не было предусмотрено создание общей канализационной системы. Жилицы дома организовали, каждый сам себе, отдельные канализационные стоки под свайное основание здания. По мнению муниципальной комиссии это стало причиной разрушения жилого дома. Нам предстояло разобраться, является ли это единственной причиной происшествия и есть ли еще значимые факторы повлиявшие на разрушения жилого дома.
Фото 1. Сползание жилого дома со свайного основания.
Рабочая гипотеза случившегося.
Во время обследования территории вокруг дома мы заметили разрыв грунта и его смещение вниз по склону. Позднее мы установили, что всё это является характерными особенностями оползня. Оползень – скользящее смещение (сползание) масс грунтов и горных пород вниз по склонам гор и оврагов, крутых берегов морей, озер и рек под влиянием силы тяжести. Исходя из изученных определений, мы поняли, что для образования оползня уровень влажности почвы должен быть выше нормы. Поэтому утверждать об однозначности данной теории мы не можем, но тем не менее выдвигаем гипотезу о том, что разрушение дома произошла из-за начавшегося оползня.
Фото 2. Разрыв грунта, характерный для оползневых явлений
Фото 3. Сдвиг и наклон старых деревянных свай.
Цель и задачи исследовательской работы.
Цель – изучить причину возникновения оползня на оттаявшем грунте многолетней мерзлоты, повлекшего за собой разрушение дома.
Задачи исследования:
1. Исследовать толщину оттаявшего верхнего слоя многолетней мерзлоты, произвести анализ грунта на влажность, определить величину уклона местности, где стоит дом.
2. Смоделировать процесс разрушения дома при таянии замороженного грунта.
3. Сделать выводы и предложить рекомендации по сохранности рядом стоящего жилого дома, расположенного выше по склону.
Исследование толщины оттаявшего верхнего слоя многолетней мерзлоты на объекте.
Исследование толщины оттаявшего верхнего слоя многолетней мерзлоты проводили с помощью щупа. Щуп - это металлический пруток Ø10 мм или строительная металлическая шпилька М10 длиной 2метра, с возможностью надставки еще одного метра длины.
Было проведено 20 проколов грунта по периметру разрушающегося здания. Результаты проколов сведены в таблицу 1, из которой можно сделать следующий предварительный вывод:
чем выше плотность грунта на поверхности местности, тем меньше под ним тает многолетняя мерзлота. В глинистые почвы очень трудно погружался щуп, величина таяния составила от 1,55м до 1,7м. В суглинке (более 14% глины) величина таяния составила от 1,83м до1,88м. В супеси (менее 14% глины) оттаяло от 1,92м до 1,98м. В песке оттаяло более двух метров.
Исследование толщины оттаявшего грунта по периметру разрушающегося дома
Таблица 1
|
№ прокола |
Поверхностный состав грунта на внешний вид: глина, суглинок, супесь, песок |
Величина прокола (длина вошедшего в землю прутка) в метрах |
|
1 |
Глина |
1, 55 |
|
2 |
Глина |
1,68 |
|
3 |
Глина |
1,72 |
|
4 |
Глина |
1,7 |
|
5 |
Глина с суглинком |
1.83 |
|
6 |
Глина с суглинком |
1,88 |
|
7 |
Суглинок |
1,85 |
|
8 |
Суглинок |
1,87 |
|
9 |
Суглинок |
1,84 |
|
10 |
Суглинок |
1,85 |
|
11 |
Супесь |
1,92 |
|
12 |
Супесь |
1,95 |
|
13 |
Супесь |
1,98 |
|
14 |
Супесь |
1,93 |
|
15 |
Супесь |
1,97 |
|
16 |
Песок |
2,08 |
|
17 |
Песок |
2,12 |
|
18 |
Песок |
2,05 |
|
19 |
Песок |
2,1 |
|
20 |
Песок |
2,07 |
Определение уклона местности с помощью оптического нивелира.
С помощью оптического нивелира мы произвели геодезическую съёмку объекта исследования с целью определения уклона поверхности, на которой расположен разрушившийся дом. На рисунке 1 показаны результаты съемки.
Рис. 1. Определение величины уклоны местности.
В результате проведённой геодезической съёмки было подсчитано, что уклон поверхности составляет 7,9%. Эти расчёты позволяют утверждать, что перед нами действительно большой уклон местности на котором образовался оползень.
Определение показателей состояния грунта по влажности.
По периметру объекта исследования произведены замеры показателя влажности почвы прибором тестером-влагомером.
Журнал влажности почвы по периметру объекта исследования
Таблица 2.
|
№ |
Поверхностный состав грунта на внешний вид: глина, суглинок, супесь, песок |
Показатель влажности в месте прокола, % |
|
1 |
Глина |
70 |
|
2 |
Глина |
65 |
|
3 |
Глина |
70 |
|
4 |
Глина |
70 |
|
5 |
Глина с суглинком |
65 |
|
6 |
Глина с суглинком |
65 |
|
7 |
Суглинок |
60 |
|
8 |
Суглинок |
60 |
|
9 |
Суглинок |
55 |
|
10 |
Суглинок |
60 |
|
11 |
Супесь |
50 |
|
12 |
Супесь |
45 |
|
13 |
Супесь |
50 |
|
14 |
Супесь |
45 |
|
15 |
Супесь |
40 |
|
16 |
Песок |
25 |
|
17 |
Песок |
20 |
|
18 |
Песок |
25 |
|
19 |
Песок |
20 |
|
20 |
Песок |
20 |
В результате полученных значений можно сделать следующие выводы, что показатель влажности почвы имеет наивысшие значение в глине и наименьшее значение в песке: глина 65-70%, суглинок 55-65%, супесь 50-40%, песок 20-25%.
Фото 4. Измерение влажности прибором тестером-влагомером.
Моделирование ситуации образования оползня и разрушения объекта.
При проектировании макета аварийной ситуации использовали масштаб 1:200. Смоделировали грунтовую обстановку, которая представляет собой слоистое наложение глины и песка. Установили опоры и заморозили при - 15 °С в естественных условиях.
Фото 5. Укладка первого слоя глины в макетный ящик
Ф ото 6. Окончательная сборка макета и его заморозка при - 15 °С в естественных условиях.
Фото 7. Установка макета на размораживание.
С помощью тепловентилятора создали ускоренные условия таяния многолетней мерзлоты и в течение полутора часов наблюдали за происходящими изменениями.
Фото 8. Начальная стадия таяния замороженного макета
Фото 9. Начальная фаза сползания макета дома со свайного основания.
В результате размораживания верхнего слоя грунта опоры основания дома наклонились, и макет здания начал постепенно съезжать со свайного поля .
Фото 10. Начало сползания макета дома со свайного основания (обратная сторона)
Фото 11. Макет здания полностью сошел со свайного поля.
На снимке видно, что сваи основания дома наклонились. Произошел сдвиг грунта по наклонной плоскости.
Фото. 12. Разрыв грунта на экспериментальной модели.
На последней фотографии четко обозначились границы разрыва грунта в экспериментальной модели аварийной ситуации. Разрыв грунта указывает на его смещение в результате оползня по наклоненной поверхности макета.
Выводы по выполненной исследовательской работе.
По результатам исследовательской работы можно сделать следующие выводы:
1. Анализ состояния грунта на объекте исследования показал, что его влажность составляет 75% при средней величине оттаявшего верхнего слоя многолетней мерзлоты 1,5-2 метра.
2. Геодезическая съемка показала, что уклон, на котором находится объект, составляет 7,9%.
3. Совокупность перечисленных факторов подтверждает выдвинутую ранее гипотезу об образовании оползня на склоне оттаявшей многолетней мерзлоты
4. В результате макетной проработки аварийной ситуации было доказано, что не только канализационные стоки являются главной причиной случившегося, а совокупность крио-геологических факторов создала обстановку образования оползня и разрушения здания жилого дома.
Кроме того, при обследовании величины оттаявшего верхнего слоя грунта возле объекта, было отмечено то, что чем выше плотность грунта на поверхности местности, тем меньше под ним тает многолетняя мерзлота.
Наши рекомендации.
Находящийся выше по склону жилой дом в скором времени может тоже разрушиться из-за таяния верхнего слоя многолетней мерзлоты. Чтобы сохранить это здание надо восстановить замёрзший грунт под его основанием. Мы предлагаем установить охладительные системы на свайном основании по периметру сохранившегося жилого дома.
Источники и литература
Оползни. http://www.culture.mchs.gov.ru/rules/emergencies_of_natural_origin/opolzen/
Новости. Студия «Факт» от 02.10.18. . https://www.znak.com/2018-10-01/v_tazovskom_rayone_so_svay_soshel_mnogokvartirnyy_dom_v_kotorom_zhilo_pochti_140_chelovek.
Свойства супеси, суглинка и глины https://samostroy74.ru/suglinki-i-supesi
Свойства тундровых глеевых почв http://cozyhomestead.ru/Rastenia_50532.html
Тундровые глеевые почвыhttp://mse-online.ru/pochvovedenie/tundrovye-gleevye-pochvy.html