Probleme durch Permafrost
Permafrost-Technik
Allgemeine Fragen
Die Entwicklung des Nordens erfordert ein Verständnis und die Fähigkeit, die durch Permafrost vorgegebenen Umweltprobleme zu bewältigen. Obwohl der gefrorene Boden die landwirtschaftlichen und bergbaulichen Aktivitäten behindert, umfassen die dramatischsten, am weitesten verbreiteten und wirtschaftlich wichtigsten Beispiele für den Einfluss des Permafrosts auf das Leben im Norden den Bau und die Instandhaltung von Straßen, Eisenbahnen, Flugplätzen, Brücken, Gebäuden, Dämmen, Abwasserkanälen und Kommunikationsleitungen. Es gibt vier grundlegende Arten von technischen Problemen: (1) Probleme mit dem Auftauen von eisreichem Permafrost und dem anschließenden Absinken der Oberfläche unter unbeheizten Strukturen wie Straßen und Flugplätzen, (2) Probleme mit dem Absinken unter beheizten Strukturen, (3) Probleme mit Frostwirkung, die im Allgemeinen durch eine schlechte Entwässerung durch Permafrost verstärkt wird, und (4) diejenigen, die nur mit der Permafrosttemperatur zu tun haben, die dazu führt, dass vergrabene Abwasser-, Wasser- und Ölleitungen gefrieren.
Eine gründliche Untersuchung des gefrorenen Bodens sollte Teil der Planung eines Ingenieurprojekts im Norden sein. Im Allgemeinen ist es am besten, den Permafrost so wenig wie möglich zu stören, um ein stabiles Fundament für technische Strukturen zu erhalten, es sei denn, der Permafrost ist dünn. dann kann es möglich sein, den Permafrost zu zerstören. Die Konstruktionsmethode zur Erhaltung des Permafrosts wurde als passive Methode bezeichnet. alternativ ist die Zerstörung von Permafrost die aktive Methode.
Auftauen des Permafrosts und Aufwirbeln des Frosts
Da das Auftauen von Permafrost und die Frostwirkung bei fast allen technischen Problemen in Polargebieten auftreten, ist es ratsam, diese Phänomene allgemein zu berücksichtigen. Das empfindliche thermische Gleichgewicht des Permafrosts wird gestört, wenn die Vegetation, die Schneedecke oder die aktive Schicht verdichtet werden. Der Permafrosttisch wird abgesenkt, die aktive Schicht wird verdickt und beträchtliches Eis wird geschmolzen. Dieser Prozess senkt die Oberfläche und liefert (im Sommer) eine feuchter aktive Schicht mit geringerer Tragfähigkeit. Eine solche Störung ermöglicht ein stärkeres Eindringen der Sommererwärmung. Es ist üblich, eine Füllung oder ein Pad aus Kies unter Ingenieurarbeiten zu platzieren. Eine solche Füllung ist im Allgemeinen ein guter Wärmeleiter und kann, wenn sie dünn ist, ein zusätzliches Auftauen des Permafrosts verursachen. Die Füllung muss dick genug sein, um die gesamte Amplitude der saisonalen Temperaturschwankungen aufzunehmen - mit anderen Worten, dick genug, um das jährliche saisonale Einfrieren und Auftauen auf die Füllung und die verdichtete aktive Schicht zu beschränken. Unter diesen Bedingungen taut kein Permafrost auf. Ein solches Verfahren ist in der Arktis durchaus machbar, in der wärmeren Subarktis jedoch aufgrund der enormen Füllmengen unpraktisch. Unter einem beheizten Gebäude kann ein starkes Auftauen schneller auftreten als unter Straßen und Flugplätzen.
Es ist seit langem bekannt, dass Frost, das Einfrieren und Auftauen von Feuchtigkeit im Boden, Strukturen sowohl in polaren als auch in gemäßigten Breiten ernsthaft stört und zerstört. Im Winter führt das Einfrieren der Bodenfeuchtigkeit zu einer Verschiebung des Bodens nach oben (Frostschub), und im Sommer führt eine übermäßige Bodenfeuchtigkeit, die während des Gefriervorgangs eingebracht wird, zu einem Verlust der Lagerfestigkeit. Die Frostwirkung wird am besten in schlammgroßen und schluffigen lehmgroßen Sedimenten in Gebieten mit strengem Klima und schlechter Entwässerung entwickelt. Polare Breiten sind ideal für maximale Frostwirkung, da die meisten Tieflandgebiete von feinkörnigen Sedimenten bedeckt sind und der darunter liegende Permafrost eine schlechte Entwässerung verursacht.
Entwicklung in Permafrostgebieten
Strukturen auf Pfählen
Pfähle werden verwendet, um viele, wenn nicht die meisten Strukturen zu stützen, die auf eisreichem Permafrost errichtet wurden. In Regionen mit kalten Wintern sind viele Pfahlgründungen im Boden saisonal gefroren und daher möglicherweise der schädlichen Wirkung von Frostwolken ausgesetzt, die dazu neigen, den Pfahl nach oben zu verschieben und somit das Fundament der Struktur zu stören. Die Verschiebung der Pfähle ist nicht auf den hohen Norden beschränkt, obwohl die maximale Störung in der Subarktis wahrscheinlich am weitesten verbreitet ist. Die teure Instandhaltung und manchmal vollständige Zerstörung von Brücken, Schulgebäuden, militärischen Einrichtungen, Rohrleitungen und anderen Bauwerken ist darauf zurückzuführen, dass die Prinzipien des Frosthaufens von Pfählen nicht verstanden wurden.
Eine bemerkenswerte Konstruktionsleistung in einer Permafrostumgebung ist das Trans-Alaska-Pipelinesystem. Diese 1977 fertiggestellte Pipeline mit einer Länge von 1.285 Kilometern und einem Durchmesser von 122 Zentimetern transportiert Rohöl von der Prudhoe Bay zu einem eisfreien Hafen in Valdez. Die Pipeline war ursprünglich für die Bestattung entlang des größten Teils der Strecke ausgelegt. Da das Öl jedoch bei 70 bis 80 ° C (158 bis 176 ° F) transportiert wird, hätte eine solche Installation den angrenzenden Permafrost aufgetaut, was zu Verflüssigung, Verlust der Lagerfestigkeit und Bodenfluss geführt hätte. Um eine Zerstörung der Rohrleitung zu verhindern, wird etwa die Hälfte der Strecke (615 Kilometer) auf Balken angehoben, die von vertikalen Stützelementen gehalten werden. Die Rohrleitung gibt ihre Wärme sicher an die Luft ab, während das Aufwirbeln der 120.000 vertikalen Stützelemente durch Frost verhindert wird, indem sie mithilfe spezieller Wärmestrahlungs-Wärmegeräte fest in den Permafrost eingefroren werden.
Autobahnen und Eisenbahnen
Autobahnen in Polargebieten sind relativ wenige und größtenteils unbefestigt. Sie können durch Auftauen des Permafrosts im Sommer, Frost im Winter und Verlust der Tragfähigkeit feinkörniger Sedimente im Sommer nachlassen. Die ständige Neigung von Schotterstraßen ermöglicht die Instandhaltung einer relativ glatten Autobahn. Wenn die Straße über eisreichem Permafrost gepflastert ist, wird die Fahrbahn uneben und ist in der Instandhaltung viel teurer als unbefestigte Straßen. Viele der asphaltierten Straßen in Polargebieten mussten innerhalb von 10 Jahren zwei- oder dreimal erneuert werden.
Eisenbahnen haben insbesondere schwerwiegende Bauprobleme und erfordern eine kostspielige Instandhaltung in Permafrostgebieten, da ein relativ geringes Gefälle und die anschließende Lage des Straßenbetts in eisreichen Tieflandgebieten, die mit ständig gefrorenem Boden unterlegt sind, beibehalten werden müssen. Die Transsibirische Eisenbahn, die Alaska-Eisenbahn und einige kanadische Eisenbahnen im Norden sind lokal von Permafrost mit beträchtlichem Grundeis unterlegt. Da die großen Eismassen jeden Sommer schmelzen, ist eine ständige Wartung erforderlich, um diese Spuren auszurichten. Im Winter ist auch eine umfangreiche Wartung erforderlich, um Frost zu bekämpfen, wenn in Straßenbetten und Brücken lokale Verschiebungen von 2,5 bis 35 Zentimetern auftreten.
Landwirtschaft
Permafrost beeinflusst die landwirtschaftliche Entwicklung in vielen Teilen der diskontinuierlichen Permafrostzone. Seine zerstörerische Wirkung auf bebaute Felder in Russland und Nordamerika resultiert aus dem Auftauen großer Eismassen im Permafrost. Wenn bei der Auswahl der für den Anbau zu räumenden Flächen keine Sorgfalt angewendet wird, kann das Auftauen des Permafrosts die Aufgabe von Feldern oder deren Reduzierung auf Weideland erforderlich machen.
