13.1. Сезонное промерзание и морозное пучение грунтов

Зимой грунт на некоторую глубину промерзает, а весной - летом оттаивает. Глубина сезонного промерзания (ГСП) зависит от климата, рельефа, мощности снежного покрова, состава пород и многих других факторов, меняясь в различных областях России от 0,4 до 3 метров. В пределах ГСП происходит перераспределение влаги в грунте и переход воды в лед, что в конечном счете может привести к увеличению объема грунта. Этот процесс называется морозным пучением. Оно имеет большое значение для многих конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий и пр. Интенсивность морозного пучения зависит от ГСП, характера промерзающих пород, их влажности и возможности дополнительного увлажнения при высоком положении уровня подземных вод.

Причин морозного пучения две: увеличение объема при замерзании находящейся в порах грунта воды, поскольку плотность льда меньше, чем у воды. Однако основной причиной является миграция воды к фронту промерзания в двух ее формах: капиллярной и пленочной, или рыхлосвязанной. Движение последней связано с уменьшением толщины водных оболочек частиц грунта при росте на фронте промерзания кристаллов льда. Поэтому у фронта промерзания идет процесс избыточного льдовыделения и соответственно при понижении фронта до ГСП в грунте льда окажется много больше того, что обусловила бы первоначальная влажность грунта. Следствием описанного процесса будет подъем свободной поверхности грунта – как правило, неравномерный с образованием горбов – пучин. Если же возможность поднятия вверх затруднена находящейся здесь конструкцией, на нее будет действовать давление морозного пучения.

По характеру процесса очевидно, что наиболее пучиноопасными будут грунты с большим содержанием пылеватой фракции – супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески. Пучение не происходит в чистых гравелистых, крупных и средней крупности песках, в массивных скальных породах.

На железных дорогах пучение приводит к образованию пучин – местных поднятий верхнего строения пути, искажающих его продольный профиль и ухудшающих условия движения. При оттаивании и переувлажнении верхнего слоя земляного полотна в разжиженный грунт уходит балласт; в основной площадке образуются балластные корыта. При подсыпках балласта повторение процесса приводит к возникновению балластных мешков, карманов, распространяющихся на глубину нескольких метров.

К мероприятиям по борьбе с морозным пучением фундаментов зданий и земляного полотна железных дорог относятся:

- устройство в основании здания или насыпи земляного полотна прерывателей капиллярного подъема воды – слоев из щебня, гравия и гальки;

- устройство подушек из шлака, песчано-гравийных смесей;

- применение термоизоляции;

- устройство гидроизоляции из полимерной пленки;

- обработка зоны миграции влаги постоянным электрическим током с подачей в перфорированный анод раствора хлористого кальция.

Из профилактических мер важное значение имеет очистка балласта и надзор за исправностью водоотводных устройств.