3.2. Криолитозона: основания и материалы сооружений

Основанием зданий и сооружений приято считать массив грунта криолитозоны, залегающий ниже подошвы фундамента и воспринимающий тепловую и механическую нагрузку. Проектируемые основания должны обеспечивать устойчивость зданий и сооружений на весь период их использования. Для решения этой задачи при проектировании оснований необходимы знания особенностей геокриологических и климатических условий территории строительства, состава, строения и свойств массива горных пород на строительной площадке.

Строение и свойства массивов пород криолитозоны в естественных условиях их существования подвержены постоянным изменениям. Определяющее влияние, при прочих равных условиях, на этот процесс оказывают разнопериодные энергоциклы (ЭНЦ) и их распределение в верхней части криолитозоны, природа которых обусловлена астрономическими законами, физическими и геометрическими особенностями Земли. Интенсивность воздействия ЭНЦ на параметры криолитозоны определяются суточными - Т_сут, годовыми - Т_год, короткопериодными - Т_{5-6 лет}, Т_{(10-11)лет}, среднепериодными - Т_{(40-44)лет}, Т_{(90-94)лет}, длиннопериодными - Т_300лет, Т_1800лет и историко-геологическими – Т_{(9-10)тыс.лет}, Т_{(22-27)тыс.лет,} Т_nх100 000 колебаниями температур [46, 47].

Отклонения от среднемноголетних значений климатических параметров и влияние технических сооружений на их значения при входе в криолитозону являются источниками ее «возмущения». При изменении климата, они имеют глобальный характер, при инженерном освоении криолитозоны - региональный и местный. В результате изменяются ее состояние и пространственные характеристики массивов криолитозоны (строение по разрезу и мощность).

Состояние массивов криолитозоны на выходе определяется вещественным их составом, строением и физико-механическими свойствами горных пород. Каждый перечисленный фактор зависит от входного сигнала возмущений в

39

подсистемах (слоях разнопериодных колебаний температур пород), перекрестных связей между ними, прямых и обратных связей входа в систему и выхода из нее (рис. 3. 4).

Рис. 3.4. Общая физико-техническая модель массива горных пород криолитозоны [50]:

t₀, A₀, t_пп, A_пп, – среднегодовые температуры и амплитуды температур воздуха соответственно на поверхности пород, подошве слоя сезонного оттаивания и промерзания, подошве годовых колебаний температур;

Q_ос, N_цзо, W_е Z – количество осадков, циклов замерзания и оттаивания, естественная их влажность, мощность слоя сезонного оттаивания и промерзания и мерзлых пород в зоне годовых колебаний температур, глубина залегания годовых колебаний температур;

Z_i, BC, C, ФТС – мощность i-го слоя многолетних колебаний температур в массиве пород, вещественный состав, строение и физико-технические свойства пород;

k₁, k₂, k₃ – вход параметров возмущения в систему;

1( ), 2( ), 3( ) - время полного цикла в i-той подсистеме массива пород криолитозоны

40

Массив криолитозоны, используемый в качестве основания в теоретическом и практическом отношении в каждый фиксированный момент времени можно принимать как материальное тело, которое находится в динамическом равновесии. В этом случае его динамическое равновесие характеризуется функциональной связью основных параметров ее состояния [46]:

(3.1)

где P – давление , V – объем, T_абс – абсолютная температура, C_{j –} содержание льда, C_w- содержание незамерзшей воды.

Наряду с этим, следует подчеркнуть, что динамическое равновесие в криолитозоне постоянно нарушается, поскольку в ней постоянно трансформируются разнопериодные температурные поля, следовательно, и другие параметры ее состояния.

Распределение температур пород по глубине можно получить экспериментально и теоретически, решив задачу Фурье о кондуктивном переносе тепла при гармоническом изменении температуры на поверхности пород во времени

, (3.2)

где - частота колебаний; а – коэффициент температуропроводности, м²/с; t₀ –cредняя температура за период колебаний, °С; z – глубина криолитозоны, м.

Скорость затухания температур по глубине зависит преимущественно от коэффициента температуропроводности

горных пород (параметр внутреннего воздействия среды) и частоты колебаний температур на их поверхности (параметр воздействия внешней среды). В результате образуются зоны с различной интенсивностью преобразований состава, строения и свойств горных пород (табл. 3. 1).

В криолитозоне полного профиля (от кровли до подош-

41

Таблица 3.1

Зональность криопетрогенеза массивов горных пород [46]

Примечание:(пояснение в тексте)

вы) в зависимости от количества и глубины проникновения температур различных периодов, формируется комплекс процессов, способствующих формированию специфического вещественного состава, строения и свойств горных пород.

Массивы криолитозоны и их грунты (породы) по времени существования классифицировались многими авторами. Не обращая внимания на некоторые различия в используемой терминологии, следует отметить, что эти классификации носят не только теоретический, но и практический характер и нашли отражение в нормативной литературе (табл. 3. 2).

42

Таблица 3. 2

Классификации мерзлых грунтов по времени существования.

Наименование	Время существования	Авторы
Многолетнее-мерзлые	Годы, сотни и тысячи лет	М.И. Сумгин
Сезонномерзлые	Месяцы
Вечномерзлые	Века, тысячелетия	Н.А. Цытович
Многолетнее-мерзлые	От нескольких лет до нескольких десятилетий
Сезонномерзлые	От одного до двух сезонов
Кратковременно-мерзлые	От нескольких часов до нескольких суток
Кратковременно-мерзлые	Сутки	Э.Д. Ершов
Кратковременно-мерзлые	Не более суток	Д.М. Шестернев [45]
Сезонномерзлые	Менее года
Эпизодически мерзлые	От года до трех лет
Многолетнемерзлые	От 3-х до 100 лет
Вечномерзлые	Более 100 лет
Вечномерзлые	Три года и более	СНиП 2.02.04. – 88 [36]
Перелетки	От одного года до трех
Сезонномерзлые	1-й холодный сезон года

По типу промерзания криолитозона может быть эпикриогенной или синкриогенной. Второй ее тип от первого отличается криогенным строением и льдистостью. Причем, льдистость синкриогенных толщ, превосходит льдистость эпикриогенных, чаще всего на порядок и более.

К синкриогенным массивам криолитозоны относятся практически все геологические массивы, промерзшие после завершения их формирования. Синкриогенные массивы криолитозоны, формируются, как правило, в пределах уже существующей эпикриогенной криолитозоны. Их формирование протекает практически синхронно с формированием нелитифицированных осадков и переходом их в мерзлое сос-

43

тояние. Таким образом, массивы криолитозоны или отдельные их участки, в зависимости от условий формирования могут быть моно- и биэпикриогенными, моно и биинкриогенными, полиэпи- и полисинкриогенными. При промерзании сквозных и несквозных таликов нелитифицированные осадки и илы могут промерзать сверху, снизу и с боков, в этом случае части массивов криолитозоны относят к диакриогеным (парасинкриогеным толщам) [8, 9].

Согласно [6] мерзлые (криогенные) грунты принадлежат к III и IV классам природных и техногенных грунтов с криогенными структурными связями, которые в инженерной геокриологии могут использоваться как основания, среда и материалы для инженерных сооружений.

Основаниями для промышленных и гражданских сооружений могут быть любые группы скальных, полускальных, связных и ледяных грунтов, внутри которых по генезису выделены подгруппы интрузивных, эффузивных, метаморфических, осадочных, а также техногенных грунтов.

Техногенные грунты представлены природными аналогами выше перечисленных групп, но измененными химико-физическим (тепловым) воздействием в условиях: а) естественного залегания, б) перемещенными при транспортировке техническими средствами и грунтами искусственного (антропогенного) генезиса (табл. 3. 3).

Строительным материалом (в зависимости от типов инженерных сооружений) могут быть любые природные и техногенные грунты (от скальных до ледяных). Выбор конкретного их типа, вида и разновидности, для строительства инженерных сооружений, регламентируется конструктивными особенностями и целевым их использованием, а также строительными свойствами грунтов, в диапазонах значений, обозначенных в соответствующих стандартах.

В строительной практике все грунты, по общему характеру структурных связей подразделены на 4 класса.

44

45

Таблица 3. 3