ПРИРОДНЫЕ МЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ

Мерзлые грунты в технической литературе часто именуют «криогенными» (криос, гр. — холод, лед). Для грунтов этого клас­са характерны структуры с криогенными связями, т. е. структуры, скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и по­стоянным (вечным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, грунты у поверхности земли промерзают. Это так называемая «сезонная» мерзлота. Скальные грунты при этом получают отрицательную температуру, а диспер­сные и техногенные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклини­вающего действия образующегося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и не­связные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышен­ную прочность, несколько увеличивают объем и становятся водо­непроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механической разработке. При небольшой влаж­ности, что может быть в песках, свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре практически ма­ло меняются.

В весеннее время года лед в грунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Осо­бенно сильно это сказывается на органоминеральных и органи­ческих грунтах, которые могут переходить в разжиженное состоя­ние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под зданий и фундаментов сооружений.

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учиты­вается, определяется глубина промерзания (I/, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов. Величина й_г ко­леблется от нескольких сантиметров до 2—3 м и определяется:

• по карте соответствующего СНиПа, где показывается среднее
значение по каждой местности;

• по расчетным формулам;

• по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глуби­
ной промерзания в данной местности; искомое значение исполь­
зуют при проектировании зданий и сооружений.

Вечная мерзлота. Иногда грунты постоянно (тысячи лет) нахо­дятся в мерзлом состоянии. Их изучает наука «Геокриология». Тер­риторию, которую они занимают, именуют криолитозоной. Проис­хождение вечной мерзлоты связывают с периодом оледенений северного полушария Земли, последнее из них было 10—15 тыс. лет назад.

Вечная мерзлота в России занимает ряд территорий на севере Европейской части России и особенно большие площади в Си­бири, где в многолетнемерзлом состоянии находятся грунты ска­льные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов от­носят также чистые льды, входящие в грунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые грунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых грунтов делят на три зо­ны: сплошную; с таликом; островную (рис. 58).

Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура грунтов минус 7—12 °С.

Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зо­ны представляют собой талые грунты; мощность мерзлых толщ 20—60 м при температуре 0,2—2 °С.

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерзлые грунты встречаются в виде отдельных участков; мощ­ность толщ 10—30 м; температура от 0 до —0,3 °С.

Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) деятельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой — это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и промерзает зимой, т. е. в определенной мере — это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и литологического состава грунтов и ко­леблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге — наибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2—1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, — 2—4 м.

Рис. 58. Зоны

многомерзлых грунтов

в Сибири (схема):

/— сплошная; II—с таликами; III — островная

Север

Северный Ледовитый I

Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся (типичные северным районам); несливающиеся (рис. 59). В первом случае дея­тельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой, на которой лежит. При несливающемся деяте­льном слое между ним и вечномерзлой толщей остается слой неза-мерзшего грунта. Это бывает связано либо с теплой зимой, либо с характером деятельного слоя.

Для решения строительных задач важно знать мощность дея­тельного слоя. Эту мощность можно определить:

• при инженерно-геологических изысканиях;

• по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным рай­
оном;

• расчетным способом, при котором учитывается тепловое вли­
яние будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунто­вая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре (подзем­ные воды вечной мерзлоты подробно рассматриваются в разделе «Гидрогеология»).

Строительство в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя — мощности, физических и физи­ко-механических характеристик грунтов, поведения надмерзлот-ной воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие не­гативные процессы, приводящие к деформации объектов.

Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух видов: 1) непрерывная, т. е. в виде сплошного массива из мерзлого

У /^У /// /$ ЛУ /;
		~—-
	— (	1—
	—А	/=

--Ш

а

Рис. 59. Типы деятельных слоев: а — несливакмцийся; б — сливаю-С~

грунта; 2) слоистая — в виде чередова­ния мерзлых слоев со слоями (просло­ями) талых грунтов или чистого льда. Наличие талых грунтов связано с цир­куляцией межмерзлотных (межпласто-вых) напорных подземных вод. В до­линах рек Лены, Енисея и других мерзлота отсутствует. Это объясняется притоком тепла от речных вод. В юж­ной зоне мерзлота постепенно оттаи­вает за счет теплого климата и в на­стоящее время сохраняется только на отдельных участках («островная» мерз­лота). В мерзлых толщах очень часто содержится чистый лед (слои, про­слои, линзы). Наибольшие мощности льда (до 20 м) отмечены на севере Сибири. Такой лед называется «погре-

мерзлота бенНЫМ».

Состоянию вечной мерзлоты подвержены все виды грунтов. Грунты скального класса занимают незначительное место. Основ­ную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. д.).

По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:

• твердомерзлые, например сцементированный («смерзшийся»)
песок, который ведет себя как скальный грунт;

• пластично-мерзлые, примером могут быть сцементированные
льдом глинистые грунты, которые содержат также воду в жидком
состоянии; эти грунты могут под нагрузкой сжиматься;

• сыпучемерзлые — в виде песка, гравия и им подобным, в ко­
торых обломки и частицы льдом не сцементированы и грунты на­
ходятся в рыхлом состоянии.

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обусловливает три текстуры мерзлых толщ:

• массивная —лед в грунте распределен равномерно;

• сложная — лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев
(прослоев, линз);

• сетчатая — слои и прослои льда пересекаются в разных на­
правлениях.

При оценке свойств большое значение имеет общее количест­во льда в объеме грунта. Для этого введено понятие льдистость. Суммарная льдистость обозначается З_ш.

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных про­цессов — морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солиф-люкция и наледи и др.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных подня­тий дорожных одежд (на 0,2—0,5) в силу промерзания деятельно­го слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма. Морозное пучение, которое оценивается коэффициентом к_н, предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной документации.

Бугры пучения образуются в результате подъема проморожен­ного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых на­порных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлюкция — оплывание оттаивающих в летнее время грун­тов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с уклоном 7—10°). Оплывание происходит по мерзлым грунтам. Солифлюкционные потоки мощностью до 3—5 м способны пере­носить валуны (глыбы) массой до 5 т.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва на поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхо­да речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы, и здания разрушаются. На рис. 60 показана наледь на берегу реки.

Строительство и эксплуатация объектов на территории вечной мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется по специальным нормативам. При земляных работах строителям приходится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при строительстве стремятся не делать выемок.

Деформации зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечномерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечно-мерзлых грунтов осуществляется по трем принципам:

• без учета мерзлого состояния мерзлых грунтов, например при
наличии скального основания;

• при сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период
эксплуатации объектов;

• с предварительным (до строительства) оттаиванием мерзлых
грунтов и последующим их укреплением или заменой на другие
грунты, например глинистые грунты на щебеночные.

Рис. 60. Наледь на берегу реки

Выбор варианта или их комплексное применение зависит от геологии строительной площадки, состава и состояния мерзлых

///

Рис. 61. Возведение зданий на вечномерзлых грунтах:

в —на скальном основании; б—с сохранением мерзлоты; в —с заменой мерзлого грунта на слой гравия; / — деятельный слой; 2— вечная мерзлота; 3— гравий; 4 — здания

грунтов, технических возможностей строительной организации (рис. 61).

Эксплуатация зданий и сооружений в районах вечной мерзло­ты требует непрерывного контроля за состоянием грунтов осно­ваний, постоянных профилактических и ремонтно-восстановите-льных работ.

В условиях развивающегося экологического кризиса серьезной проблемой становится нарастающая тенденция к деградации веч­ной мерзлоты, что влечет за собой деформации сооружений. Проблема является геоэкологической и может быть разрешена ее методами.