4.4. Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты
Вечномерзлыми называют грунты и материковые породы с отрицательной температурой, не подверженные сезонным колебаниям.
Вечная мерзлота занимает более 50 % всей территории России, а на Дальнем Востоке она охватывает 80 % территории. Среднегодовая температура воздуха в этих районах отрицательная и на Крайнем Севере понижается до -16°С. В приморских тундрах часты ураганные ветры. Годовое количество осадков на большей части территории невелико и составляет 140...320 мм. Толщина снежного покрова, особенно в тундре, не превышает 30...40 см.
Большинство вечномерзлых грунтов насыщено льдом. В ряде случаев льдистость мерзлых грунтов достигает 80 %, а иногда он полностью замещен мощными ледяными включениями.
Мощность вечной мерзлоты по глубине весьма различна и составляет от нескольких метров в южных районах вечной мерзлоты до 500 м у берегов Северного Ледовитого океана. Температура верхнего слоя мерзлых горных пород обычно колеблется от -3 до -8С, причем она на 4...10С выше среднегодовой температуры воздуха. Вечная мерзлота сверху и снизу ограничена слоем грунта, имеющим температуру 0С. Эти поверхности, с нулевой температурой, соответственно называются верхней и нижней границами вечной мерзлоты [18, 49, 51].
Грунты с отрицательной температурой, но не содержащие воды или включающие ее в небольшом количестве, а потому не смерзшиеся и оставшиеся сыпучим телом, называются сухой мерзлотой.
Существенное значение в условиях вечной мерзлоты имеет состояние подземных и грунтовых вод. В зависимости от расположения относительно слоя вечной мерзлоты они подразделяются на три взаимосвязанные категории:
а) надмерзлотные - залегающие над верхней границей многолетней мерзлоты;
б) межмерзлотные - расположенные в толще многолетней мерзлоты;
в) подмерзлотные - залегают под слоем многолетней мерзлоты.
По характеру залегания вечномерзлой толщи под деятельным слоем различают типы сливающейся, несливающейся и слоистой вечной мерзлоты.
Несливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов не сливается с подошвой сезонного промерзания. Между ними остается пласт постоянно талого грунта. Несливающаяся вечная мерзлота встречается в южных районах мерзлотного региона, главным образом в котловинах, долинах и других отрицательных формах рельефа, где происходят мощные снеговые заносы, а летом протекает вода.
Сливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов сливается с подошвой деятельного слоя. Имеет основное региональное распространение на севере Азии.
Слоистая вечная мерзлота. Слоистой вечной мерзлотой принято называть чередование нескольких слоев вечномерзлых горных пород с пластами талых пород. Она встречается в долинах мигрирующих водотоков. Талые пласты могут быть исчезающими или поддерживаться за счет фильтрационного потока.
От поверхности земли вечная мерзлота отделена слоем грунта с сезонным промерзанием - оттаиванием, который называют деятельным слоем.
При замерзании деятельного слоя происходит пучение, и поверхность грунта поднимается, при оттаивании наблюдается обратное явление - осадка. По данным П.И. Мельникова, деятельный слой промерзает с двух сторон одновременно - и от земной поверхности, и от своей подошвы, то есть от верхней границы вечномерзлых грунтов.
Мощность деятельного слоя колеблется в пределах 0,8...1,6 м в песчаных грунтах и 0,2...0,4 м в торфяно-болотистых почвах. На болотах и заболоченных склонах с толстым слоем мохового покрова верхняя граница вечной мерзлоты залегает непосредственно под слоем мха. Все склоны гор северных экспозиций имеют верхнюю границу многолетней мерзлоты на глубине 0,15...0,2 м. В районах пойм, русел средних и больших рек, с гравийно-галечными и песчаными грунтами, она достигает 10 м.
Мощность деятельного слоя зависит от многих факторов. Остановимся на основных:
1. Радиационный баланс поверхности земли. Радиационный или лучистый баланс тепловой энергии слагается из трех компонентов: суммарная солнечная радиация, минус отраженная часть этой радиации в космос, минус длинноволновое эффективное излучение почвы. Теплоприход суммарной солнечной радиации слагается из тепла прямой солнечной радиации при ясном небе и тепла рассеянной солнечной радиации при облачном небе. Максимум прямой солнечной радиации наблюдается на экваторе, минимум - на полюсах. Естественно, что поступление рассеянной облаками радиации также убывает с юга на север.
Величина отраженной части радиации зависит от отражательной способности поверхности земли. Наибольшим поверхностным излучением обладает заснеженная поверхность земли, от которой больше 80 % солнечной энергии бесполезно отражается в атмосферу. Наименьшей способностью отражения обладает свежевспаханная темная влажная почва, которая усваивает более 90 % суммарной радиации.
2. Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен между поверхностью земли и воздухом равен произведению коэффициента теплообмена на разность температур почвы и воздуха. Если летняя температура верхнего слоя грунта tг больше температуры воздуха tв, то земля теряет тепло. Если наоборот, tг < tв, например, при вторжении теплых масс воздуха с юга, то происходит нагрев грунта. Коэффициент теплообмена конвекцией определяют по формуле Вирца
(4.4.1)
где V - скорость ветра, м/с.
Если принять, что конвективный теплообмен в энергетическом отношении равен тепловому радиационному балансу r, то температура верхнего слоя грунта равна
tг = tв + r / (4.4.2)
3. Испарение и конденсация. Наибольшие затраты тепла в общем тепловом балансе влажных грунтов приходятся на испарение. Особенно велики эти потери на моховых и болотистых тундрах, где грунт за целое лето оттаивает только на 30...40 см. При наличии сухих скелетных грунтов теплопотери на испарение незначительны.
Теплоприход от конденсации в естественных условиях невелик. Однако при послойной вскрыше грунтов по мере их оттаивания конденсация, а, следовательно, и выделение тепла, резко возрастают. В этом случае теплый воздух соприкасается с холодной, периодически обнаженной поверхностью мерзлых грунтов, и происходит обильное выпадение росы.
4. Снежный покров, его мощность и рыхлость. Теплопроводность рыхлого снега близка к теплопроводности такого теплоизолятора, как сухой торф, поэтому потери тепла из литосферы в атмосферу резко уменьшаются. Разница среднемесячных температур на поверхности снега и под снегом может достигнуть 40°С и более.
5. Растительный покров, характер растительности. На побережье арктических и северо-восточных морей преобладают мхи, лишайники и тундровые травы. Мхи, особенно сфагновые, в летнее время быстро подсыхают сверху и становятся отличным теплоизолятором. Кроме того, мхи испаряют большое количество влаги и этим резко понижают свою температуру. В зимний же период они быстро замерзают и по своим теплоизоляционным свойствам мало отличаются от обычного льдистого грунта. В результате такого различия в теплопроводности талого и мерзлого мхов, вечная мерзлота подо мхом и торфяником прослеживается даже в относительно южных районах, где под другой растительностью она не встречается.
А.И. Мамаев установил, что в безветренных районах под любым растительным покровом, экранирующим летом грунт от солнца, вечная мерзлота устойчивее, чем на оголенных участках. В районах с интенсивными зимними ветрами наблюдается обратный эффект в связи с переотложением снега с оголенных участков в залесенные.
Развитая высокоствольная древесная растительность по берегам северных рек и озер часто указывает на присутствие русловых таликов глубиной до 5 м.
6. Экспозиция склона и рельеф. Южная экспозиция горных склонов повышает среднегодовую температуру поверхности земли на 0,5...1,5С относительно температуры на северной экспозиции.
Возвышенности хорошо обдуваются ветром, и снег переносится в низкие места. Поэтому мощность вечной мерзлоты под оголенными возвышенностями в большинстве случаев больше, чем под снегозаносимыми пониженными местами. Однако, даже при одинаковой льдонасыщенности грунтов, глубина сезонного оттаивания на возвышенностях больше, чем в долинах, за счет увеличения амплитуды сезонных колебаний температуры грунта.
7. Цитологические особенности грунта. Различие в теплопроводности разных грунтов не превышает 2...2,5 раз. Наибольшей теплопроводностью обладают подземные льды и крупноскелетные льдонасыщенные грунты, наименьшей - сухие пески. Глубина сезонного протаивания, прежде всего, зависит от общей льдонасыщенности грунта. Сухие насыпные грунты протаивают на глубину в 3...4 раза больше, чем льдистые.