ПРИРОДНЫЕ МЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ

Мерзлые грунты в технической литературе часто именуют <<криогенными» (криос, гр. - холод, лед). Для грунтов этого клас­

са характерны структуры с криогенными связями, т. е. структуры,

скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов, т. е.

в условиях отрицательных температур, бывает временным и по­

стоянным (вечным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима

сотрицательными температурами, грунты у поверхности земли

промерзают. Это так называемая <<Сезонная)> мерзлота. Скальные

грунты при этом получают отрицательную температуру, а диспер­

сные и техногеиные замерзают за счет перехода в порах грунтов

жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных грунтах вода

замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклини­

вающего действия образующегося льда (увеличение объема льда

достигает 9,1 %) .

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и не­ связные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышен­

ную прочность, несколько увеличивают объем и становятся водо­

непроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых

суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие

трудности при механической разработке. При небольшой влаж­ ности, что может быть в песках, свойства грунтов при переходе

от положительной к отрицательной температуре практически ма­

ло меняются.

В весеннее время года лед в грунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Осо­ бенно сильно это сказывается на органаминеральных и органи­

ческих грунтах, которые мoryr переходить в разжиженное состоя­

ние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты мoryr

вьщавливаться из-под зданий и фундаментов сооружений.

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учиты­ вается, определяется глубина промерзания d1, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов. Величина d1 ко­ леблется от нескольких сантиметров до 2-3 м и определяется:

•по карте соответствующего СНиПа, где показывается среднее

значение по каждой местности;

•по расчетным формулам;

•по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глуби­

ной промерзания в данной местности; искомое значение исполь­

зуют при проектировании зданий и сооружений.

250

Вечная мерзлота. Иногда грунты постоянно (тысячи лет) нахо­ дятся в мерзлом состоянии. Их изучает наука <<Геокриология». Тер­ риторию, которую они занимают, именуют криолитозоной. Проне­

хождение вечной мерзлоты связывают с периодом оледенений

северного полушария Земли, последнее из них бьшо 10-15 тыс.

лет назад.

Вечная мерзлота в России занимает ряд территорий на севере Европейской части России и особенно большие площади в Си­

бири, где в многолетнемерзлом состоянии находятся грунты ска­

льные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых грунтов от­

носят также чистые льды, входящие в грунтовые толщи в виде

прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые грунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых грунтов делят на три зо­ ны: сплошную; с таликом; островную (рис. 58).

Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура грунтов минус 7-12 ·с.

Зона с таликоми располагается южнее. Отдельные участки зо­ ны представляют собой талые грунты; мощность мерзлых толщ

20-60 м при температуре 0,2-2 ·с.

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири;

мерзлые грунты встречаются в виде отдельных участков; мощ­

ность толщ 10-30 м; температура от О до -0,3 ·с. Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части:

1) деятельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой - это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период опаивает и промерзает зимой, т. е. в

определенной мере - это сезонная мерзлота. Мощность этого

слоя зависит от климата и литологического состава грунтов и ко­

леблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юrенаибольшая. В одном и том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2-1 м, в то же время как в песках

251

Деятельные слои бывают двух вИдов: сливающиеся (типичные северным районам); несливающиеся (рис. 59). В первом случае дея­

тельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой, на котррой лежит. При несливающемся деяте­ льном слое между ним и вечномерзлой толщей остается слой неза­

мерзшего грунта. Это бывает связано либо с теплой зимой, либо с

характером деятельного слоя.

Для решения строительных задач важно знать мощность дея­

тельного слоя. Эту мощность можно определить:

•при инженерно-геологических изысканиях;

•по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным рай­

оном;

• расчетным способом, при котором учитывается тепловое вли­

яние будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунто­

вая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре (подзем­ ные воды вечной мерзлоты подробно рассматриваются в разделе

<<ГИдрогеология>>).

Строительство в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоямощности, физических и физи­

ко-механических характеристик грунтов, поведения надмерзлот­

ной воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие не­ гативные процессы, приводящие к деформации объектов.

Вечномерзлая толща по своему строению бывает двух ВИдов:

252

Состоянию вечном мерзлоты подвержены все виды грунтов.

Грунты скального класса занимают незначительное место. Основ­

ную массу мерзлых толщ составляют дисперсные грунты (супеси, суглинки, глины, пески и т. д.).

По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют

на три вида:

•твердомерзлые, например сцементированный (<<Смерзшийся») песок, который ведет себя как скальный грунт;

•пластично-мерзлые, примером мoryr быть сцементированные

льдом глинистые грунты, которые содержат также воду в жидком

состоянии; эти грунты мoryr под нагрузкой сжиматься;

• сыпучемерзлые - в виде песка, гравия и им подобным, в ко­ торых обломки и частицы льдом не сцементированы и грунты на­

ходятся в рыхлом состоянии.

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обусловливает три текстуры мерзлых толщ:

•массивная -лед в грунте распределен равномерно;

•сложная - лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев

(прослоев, линз);

• сетчатая - слои и прослои льда пересекаются в разных на­

правлениях.

При оценке свойств большое значение имеет общее количест­ во льда в объеме грунта. Для этого введено понятие льдистость. Суммарная льдистость обозначается l 101•

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных про­

. цессов - морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солиф­

люкция и наледи и др.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных подня­ тий дорожных одежд (на 0,2-0,5) в силу промерзания деятельно­

го слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется

яма. Морозное пучение, которое оценивается коэффициентом kь,

предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной

документации.

Бугры пучения образуются в результате подъема проморожен­

ного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых на­

порных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает

больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокорет представляет собой процесс вытаивания льда в

мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли.

В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

253