4.1.9 Мерзлотные процессы
Горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми.
Скальные грунты при сезонном промерзании и оттаивании активно разрушаются за счет расклинивающего действия замерзающей воды, которая при переходе в твердое состояние увеличивается в объеме на 9,1 %. Дисперсные грунты связные и несвязные при замерзании увеличивают объем и становятся водонепроницаемыми. Разработка их ведется как скальных грунтов. Несвязные грунты (пески, гравийные грунты и т. д.) при низких значениях влажности практически не изменяются в процессе оттаивания и промерзания.
Особенно сильно сказывается процесс оттаивания на органических (торф, ил) и глинистых грунтах, которые переходят в текучее состояние и теряют несущую способность (выдавливаются из-под здания).
В строительстве учитывается глубина промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов и колеблется от нескольких см. до 2–3 м. Для Екатеринбурга 1,8–2,0 м.
Величина df определяется:
– По карте СНиПа,
– рассчитывется по формулам,
– по итогам многолетних наблюдений.
Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород (в России около 60-70 % территории – 11 млн. км2). Европейская часть – устье С. Двины, Печоры, Баренцево море; Азия (южная граница) – район Салехарда, к югу район Игарки, до границы с Монголией.
Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород, т.е. пород, никогда не оттаивающих летом. Мощность криолитозоны составляет от ~15 м. (при её островном распространении) до 1000-1500 м. в северных регионах. Формирование многолетнемерзлых пород определяется климатическими факторами, обеспечивающими отрицательную среднюю годовую температуру пород. Уникальная сохранность вымерших млекопитающих, таких как мамонты, мастодонты и др. свидетельствует о том, что мерзлота существовала уже тогда, когда эти животные населяли Землю. Сплошная криолитозона, уже не исчезавшая впоследствии, возникла около 650 тыс. лет назад в пределах севера Сибирской платформы. Ее сохранению способствовали ледниковые эпохи, следовавшие одна за другой. Самая низкая температура в криолитозоне (-19°С) зафиксирована в скважинах на заполярных островах Канады. Юкагирский мамонт, найденный в 2004 г. в Якутии имеет такую великолепную сохранность, что при первичном обследовании находки высказывалось предположение о сохранности генетического материала, пригодного для клонирования. В 2007 г. проходила международная конференция, посвященная результатам исследования Юкагирского мамонта.
Многолетнемерзлые породы – грунты, которые находятся в мерзлом состоянии постоянно в течение тысяч и сотен тысяч лет.
В России выделяют три зоны вечномерзлых грунтов:
Сплошная мерзлота – крайний север Сибири, мощность сотни метров, tº=–7º–12º;
Зоны с таликами – есть участки с талыми грунтами, располагается южнее, мощность 20–60 м., tº=–0.2º–2º;
Островная – мерзлота участками, мощность 10–30 м., tº=0–0.3º.
Деятельный слой – верхний слой земной коры в областях холодного и умеренно холодного климата, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию. Его мощность различна и, как правило, составляет в среднем 10–20м. В зависимости от местоположения, температурного режима, и, следовательно, преобладающих в течение года процессов, деятельный слой может быть сезонноталым или сезонномерзлым.
Сезонномерзлый слой (смс) – это верхний слой земной коры, подвергающийся промерзанию в холодное время года. Большую часть времени породы этого слоя остаются в талом состоянии. При промерзании сезонномезлого слоя породы, залегающие под ним, по-прежнему талые.
Сезонноталый слой (стс) развивается в наиболее высоких широтах существования деятельного слоя. Большую часть времени он находится в промерзшем состоянии и лишь в наиболее теплое время года оттаивает. При этом в основании сезонноталого слоя залегают мерзлые породы.
Выделяется сливающийся – в зимнее время промерзает полностью и не сливающийся – не полностью промерзает до мерзлоты, остается слой талого грунта.
Основная особенность мерзлых грунтов – наличие в них льда в виде цемента (массивная текстура), линз и прослоев (сложная текстура), пересекающихся прослоев в разных направлениях (сетчатая текстура).
При оценке свойств мерзлых грунтов имеет значение суммарное количество льда в породе.
Льдистость – общее количество льда в единице объема грунта.
По физическому состоянию выделяют грунты: твердомерзлые (плотные пески), пластично-мерзлые (глинистые грунты, способны сжиматься под нагрузкой) и сыпучемерзлые (несцементированные льдом обломочные грунты – песок, гравий, щебень и т. д.).
Конституционные льдывозникают при промерзании влажных дисперсных горных пород (суглинков, супесей и др.). Образовавшийся лед играет роль цемента, скрепляющего части породы.Конституционные льдыразвиты как в толще многолетнемерзлых пород, так и в породах сезонноталого слоя. Подразделяются на лед-цемент и сегрегационный лед.
Лед-цементобразуется при промерзании увлажненной горной породы и располагается между её минеральными зернами.
Сегрегационный ледпредставлен в виде шлиров, небольших гнёзд или нитевидных, линзовидных тел, образующих криогенную текстуру (слоистую, сетчатую и т.д.). Образуется при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. Промерзание СТС начинается с образования стебелькового льда.
Погребенные льдывозникают на поверхности и впоследствии захораниваются осадками. Крупные сплошные массивы погребенного льда приурочены к захороненным ледниковым телам, как современным, так и останцам крупных четвертичных оледенений, перекрытым моренными и иными ледниковыми отложениями.
Инъекционные льдыобразуются в результате внедрения напорных подмерзлотных вод в мерзлую толщу, мощность линз инъекционных льдов может достигать десятков метров, а их длина - сотен метров.
Пещерные льдыобразуются в подземных полостях и имеют различное строение. Могут образовывать как натечные формы, так и кристаллы, и их агрегаты. За счет значительной глубины пещер и горных выработок в них длительное время сохраняется низкая температура. Поэтому, однажды сформировавшись,пещерные льдымогут сохраняться весьма долго. В России развитием такого рода льдов наиболее известна Кунгурская пещера.
Криогенные процессы
Морозное пучение – за счет промерзания деятельного слоя, локальные поднятия зимой дорожных одежд увеличение объема породы при промерзании (~ на 10 %), при оттаивании образуются ямы. Присуще рыхлым породам – пылеватым. Образуются т.н. пучины. Высота их от 2–4 см до 50 см, и длина до 10–12 м. Особенно неприятно для линейных сооружений, железных дорог, автодорог. Борьба – осушение, замена пучинистых грунтов.
Выпучивание фундаментов – морозное пучение (вымораживание) приводит к выпиранию столбов, фундаментов из основания (глинистые породы, рис. 40). Вот почему всегда глубина заложения фундаментов должна быть ниже глубины деятельного слоя (сезонного промерзания). А в области вечной мерзлоты – обмазки, гравийные, щебнистые засыпки, расширение фундаментов книзу.
Бугры пучения (гидролакколиты) – подъем деятельного слоя за счет промерзания межпластовых вод.
Термокарст – проседание земли за счет оттаивания при нарушении теплового режима.
Наледь – скопление льда на поверхности в результате излившихся подземных или речных вод.
При глубоком промерзании рек происходит сильное сужение сечения потока, и, как следствие, возрастает давление воды на лед. В ослабленных местах речной лед проламывается и вода изливается на поверхность, образуя речную наледь. Подобным образом формируются наземные наледи, с той лишь разницей, что верхней коркой является замерзающий грунт, а взламывают её грунтовые воды. Наиболее крупные, многолетние наледи образуются в местах глубинных разломов восходящими напорными подмерзлотными водами. Самой большой в России является Момская наледь, мощностью 6–7 м. и площадью 100 км2.
Рис. 40 Выпучивание опор трубопровода, п-ов Ямал. Фото: © Дамбев В.А., 2004.
Солифлюкция – оплывание оттаявших пологих склонов южной экспозиции по мерзлоте.
Курум – скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону.
Любая инженерно-геологическая деятельность в криолитозоне имеет свою особую специфику. Так как многолетнемерзлые породы очень чутко реагируют на малейшее изменение локального температурного режима, а, следовательно, практически на любое вмешательство в изначальную среду, основным правилом любого строительства является прогноз и регулирование температурного состояния мерзлых грунтов. Главными опасностями для сооружений являются специфические процессы, такие как термокарст и морозное пучение. В связи с этим здания строят либо на насыпном грунте (преимущественно одноэтажные и двухэтажные), либо на сваях, забитых ниже уровня сезонного оттаивания. Для предотвращения оттаивания мерзлоты между землей и первым этажом оставляют вентилируемое пространство, обычно 1–1,5 м. При прокладке коммуникаций особое внимание уделяют тепло- и гидроизоляции.
Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН.
Строительство производится по трем принципам:
– с сохранением мерзлоты на весь период эксплуатации (свайные основания, рис. 41);
Рис. 41 Свайное строительство на многолетнемерзлых грунтах,
Якутск.Фото: © Дамбаев В.А., 2005.
– с предварительным оттаиванием и последующим укреплением основания или его заменой на другие грунты;
– на скальном основании – без учета мерзлоты.