1.8. Глубина сезонного оттаивания грунтов

В районах распространения вечномерзлых грунтов поверхностный слой грунта подвергается сезонному оттаиванию, его относят к деятельному слою. Толщину его определяют: при оттаивании летом и промерзании зимой, но без слияния с толщей вечномерзлого грунта – глубиной зимнего промерзания; при оттаивании летом и промерзании зимой до полного слияния с толщей вечномерзлого грунта – глубиной летнего оттаивания [4].

Мощность деятельного слоя зависит от интенсивности и продолжительности прогревания поверхности и меняется от 0,2–0,3 м до 3–4 м. В одной и той же местности она неодинакова в различные годы и зависит от изменений теплоприхода в толще грунтов, вызванных интенсивностью солнечной радиации, изменениями температуры воздуха, скорости, направления и повторяемости ветра.

На глубину деятельного слоя оказывают влияние многие факторы, к которым относят экспозицию и крутизну склона, наличие растительности и ее характер, затененность местности, состав и степень влажности грунтов, мощность снежного покрова, гидрологический режим и т. д.

Сезонное оттаивание на южных склонах всегда больше, чем на северных. Снегоотложения мощностью до 1,5 м мало влияют на изменение глубины сезонного оттаивания грунтов, потому что таяние снега заканчивается еще в период отрицательных среднесуточных температур воздуха. При мощности снегоотложений более 1,5 м величина сезонного оттаивания грунта уменьшается (рис. 1.7, 1.8) [8]. Под растительным покровом протаивание всегда меньше, чем на свободных от растительности площадках. Влияет и характер растительности.

Рис. 1.7 Схематическая карта мощности сезонного оттаивания глинистых грунтов: 1 – .для оголенной поверхности; 2 – для задернованной поверхности

Рис. 1.8. Схематическая карта мощности сезонного оттаивания песчаных грунтов: 1 – для оголенной поверхности; 2 – для задернованной поверхности

Глубина сезонного оттаивания слоя неодинакова в грунтах различного состава и влажности. Наибольшей величиной протаивания характеризуются скальные щебенистые грунты, наименьшей – глинистые. Сильновлажные, насыщенные льдом грунты протаивают на меньшую глубину, чем маловлажные, потому что они обладают повышенной теплоемкостью и требуют большего количества тепла для плавления льда.

Грунтовые воды, поток которых в фильтрующих грунтах способствует лучшему теплообмену, увеличивают глубину оттаивания. Интенсивность протаивания в течение сезона неравномерна: как правило, она снижается во второй половине лета, когда уменьшается теплоприход с поверхности.

Глубину сезонного оттаивания грунтов учитывают при проектировании искусственных сооружений главным образом для определения глубины заложения фундаментов.

1.9. Наледи

Наледь относят к мерзлотно-геоморфологическим образованиям.

Наледью называют ледяное тело, являющееся продуктом послойного намерзания речных или подземных вод, излившихся на поверхность льда, земли вследствие естественной разгрузки подземных вод или промерзания водоносного тракта [12].

Наледи образуются поздней осенью или зимой. Наиболее широко наледи распространены в Восточной Сибири, Забайкалье и на Дальнем Востоке.

В соответствии с классификацией по С.М. Большакову и Н.И. Толстихину все наледи разделяют на три класса: поверхностных, подземных и смешанных вод [12].

Класс наледей поверхностных вод подразделяют на три типа: поверхностных водотоков (речные наледи); поверхностных водоемов (озер и др.); талых вод (от таяния снега и ледников). Наибольший интерес представляет первый тип наледей.

Наледями поверхностных водотоков (речными) называют наледные массивы, сформировавшиеся в русле рек, ручьев и их поймах при послойном намораживании. К причинам их образования относят: промерзание рек на перекатах; закупорку русла донным льдом, шугой или грунтом; резкое увеличение расхода воды; глубокое промерзание реки на участке, оголенном от снега; снежные обвалы, землетрясения [12].

Необходимым условием образования речных наледей является наличие водоупора в основании (рис 1.9).

Класс наледей подземных вод подразделяют на два типа [12]: наледи грунтовых вод рыхлой толщи; наледи подземных вод глубоких горизонтов. Наледи грунтовых вод рыхлой толщи образуются излиянием грунтовых вод первых от поверхности водоносных горизонтов: верховодкой, надмерзлотными водами деятельного слоя, водами рыхлой толщи, а также выветрелой щебенисто-трещиноватой зоны скальных пород. Наледи данного типа разделяют на два вида: наледи грунтовых вод с водоупором из немерзлых пород и наледи надмерзлотных вод (рис. 1.10).

Рис. 1.9. Наледи поверхностных вод: а – постоянных водотоков при скальном ложе реки; б – временных водотоков на перекатах; 1 –лед; 2 – водоупор; 3 – снег; 4 – водоток

Наледи подземных вод глубоких горизонтов образуются за счет питания водами, расположенными в межмерзлотных и подмерзлотных горизонтах, а также водами тектонических трещин и разломов. Выход таких вод на дневную поверхность происходит в виде родников (ключей) или других источников.

Рис. 1.10. Наледи грунтовых вод рыхлой толщи: а – с водоупором из немерзлых пород; б – с водоупором из многолетнемерзлых грунтов; 1 – лед; 2 – водоупор; 3 – галечник; 4 – водоток; 5 – талик

Наледи подземных вод подразделяют на два вида: наледи напорных и ненапорных вод.

Класс наледей смешанных вод включает в себя наледи, которые образуются за счет питания водами различного типа.

По происхождению наледи бывают природные, которые образуются в естественных условиях, и техногенные, возникающие из-за нарушения водно-теплового режима водотоков и грунтов при строительстве и связанные с инженерной деятельностью человека [12]. В период строительства мостов и труб, как правило, нарушают естественный водно-тепловой режим водотоков, из-за чего создаются благоприятные условия для образования наледей. Наледи оказывают отрицательное воздействие на сооружения. Наиболее опасным является закупорка отверстий мостов и труб наледным льдом, что приводит к значительным затратам по его устранению. В весенний период закупоренные отверстия не обеспечивают сток воды и талая вода может переливаться через полотно дороги, размывать ее, что создает угрозу безопасному пропуску поездов.

В начале зимы наледь развивается медленно, потому что сток обеспечивается благодаря фильтрации по грунтам поймы водотока. Но в период, когда оголенный участок поймы ниже дороги промерзает на значительную глубину, выше дороги начинается интенсивное наледеобразование. Развитие наледного процесса в зоне мостов и труб может привести к тяжелым последствиям. Весенняя вода может проложить себе по наледному льду новое русло в стороне от моста.

Закупорке отверстий наледями в наибольшей степени подвержены малые мосты и трубы, которые представляют собой самый многочисленный класс искусственных сооружений (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Закупорка наледью отверстия моста: а – вид поперек оси моста; б – план моста; 1 – наледь; 2 – направление водотока; Н_н – мощность наледи; V_H – объем наледи; S_H – площадь наледи выше и ниже моста

По месту и характеру образования наледи подразделяют на русловые, логовые, косогорные, откосные, равнинные, предгорных шлейфов.

По степени опасности различают наледи неопасные, опасные и очень опасные.

К основным параметрам наледей относят: объем, площадь, мощность; время возникновения; интенсивность развития и продолжительность существования (рис. 1.11).

Численные значения параметров наледей устанавливают при инженерно-геологических и гидрологических изысканиях, в процессе специальных наблюдений, а также расчетным методом.