1.5. Глубина сезонного промерзания грунтов

Сезонное промерзание верхних слоев грунта имеет большое значение для практики строительства и эксплуатации искусственных сооружений.

Мощность и температурный режим грунта сезонного промерзания зависит от солнечной радиации, температуры наружного воздуха, осадков, литологического состава и влажности грунтов, вида и свойств растительности, рельефа местности, экспозиции склонов и других природных факторов (рис. 1.2, 1.3 [7,8]).

Исследованиями установлено, что среднегодовая температура грунтов и амплитуда годовых колебаний температуры воздуха формируются под воздействием радиационно-теплового баланса на поверхности грунтов и теплоизолирующего влияния растительного, снежного и водного покровов [7].

Рис. 1.2. Схематическая карта мощности сезонного промерзания глинистых грунтов: 1 – при максимальном снегонакоплении; 2 – при минимальном снегонакоплении; 3 – для оголенной поверхности

Рис. 1.3. Схематическая карта мощности сезонного промерзания песчаных грунтов: 1 – при минимальном снегонакоплении; 2 – при максимальном снегонакоплении; 3 – для оголенной поверхности

Литологический состав грунтов оказывает влияние на мощность деятельного слоя через их теплопроводность и теплоемкость. Чем больше плотность грунта, тем значительнее мощность деятельного слоя.

Увеличение влажности грунтов приводит к уменьшению теплопроводности талого грунта. Увеличение льдистости мерзлых грунтов приводит к увеличению их теплопроводности.

С увеличением мощности снежного покрова повышается его теплоизолирующая способность. Таким образом, снег оказывает отепляющее влияние на грунты деятельного слоя. Глубина промерзания под снежным покровом может отличаться на 50–60 % от глубины промерзания на оголенной местности в аналогичных условиях.

Растительный покров оказывает охлаждающее влияние на температурный режим деятельного слоя в южных районах и служит теплоизолирующим фактором, оказывая отепляющее влияние в северо-восточных регионах.

Мохово-торфяной покров обладает незначительной теплопроводностью в талом состоянии. В этой связи в летний период он приводит к сокращению амплитуды суточного колебания и понижению температуры грунтов, способствуя уменьшению мощности деятельного слоя. Повреждение и уничтожение растительности приводит к развитию термокарста и образованию болот и озер.

Инфильтрация дождевой воды в крупнообломочные грунты и скальные трещиноватые породы оказывает влияние на мощность деятельного слоя. Повышение температуры грунтов за счет инфильтрующихся осадков составляет 1,5–2,0 ⁰С [7].

Районы северной строительно-климатической зоны характеризуются глубоким сезонным промерзанием грунтов (более 2 м), а также преобладанием глубины промерзания (до 3–4 м) над глубиной оттаивания (до 2–2,5 м).

Глубину сезонного промерзания грунтов основания учитывают при проектировании мостов и труб. Этот фактор определяет выбор типа и конструкции опор и фундаментов искусственных сооружений, а также глубину их заложения.

1.6. Вечномерзлые грунты

В России от 47 до 50 % всей площади занимают районы, характеризующиеся распространением вечномерзлых грунтов [7,9] (рис. 1.4).

Мерзлые грунты в зависимости от продолжительности их существования подразделяют на вечномерзлые, время существования которых составляет века и тысячелетия, многолетнемерзлые – от нескольких лет до нескольких десятилетий, сезонномерзлые – от одного до двух сезонов [10].

Рис. 1.4. Схематическая карта распространения многолетнемерзлых грунтов: 1 – зона редкоостровного, островного и массивно-островного распространения со среднегодовыми температурами от +3 до –1 ^оС и мощностью от 0 до 100 м; 2–5 – зоны сплошного распространения с температурами: 2 – от – 1 до – 3 ^оС и мощностью от 50 до 300 м; 3 – от – 3 до – 5 ^оС и мощностью от 100 до 400 м; 4 – от – 5 до – 9 ^оС и мощностью от 200 до 600 м; 5 – ниже – 9 ^оС и мощностью от 400 до 900 м и более

Вечномерзлые грунты по своему составу включают в себя сложные компоненты. Согласно теории механики мерзлых грунтов [10], мерзлыми называют грунты и другие горные породы, почвы и дисперсионные материалы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды замерзла и превратилась в лед, цементируя минеральные частицы.

Вечномерзлое состояние грунтов рассматривают как геологическое явление. Например, толщи вечномерзлых грунтов северо-востока Сибири имеют возраст от 10–12 тыс. до 280 тыс. лет [10].

Вечномерзлые грунты характеризуются своими разнообразными фор­мами. По расположению районы с вечномерзлыми грунтами подраз­де­ляют: со сплошной вечной мерзлотой, в пределах которой вечная мерзлота наблюдается повсеместно; с островной вечной мерзлотой, к которым относятся изолированные участки с вечной мерзлотой; пространство вечной мерзлоты, пронизанное таликами значительных размеров; районы с вечной мерзлотой в буграх торфяных болот [7]. Среди вечномерзлых грунтов встречаются острова талых грунтов – талики. Чаще всего они располагаются в зоне южной границы распространения вечномерзлых грунтов, где последние имеют близкую к 0 °С температуру, а также под водоемами (озерами и реками), в местах выходов подземных вод и на морских берегах, где грунты и грунтовые воды засолены, и температура их замерзания понижена. Образование таликов иногда связано с деятельностью человека.

Мощность толщи вечномерзлых грунтов различна и зависит от широтной и высотной зональности.

Одной их основных характеристик вечномерзлых грунтов является температура на глубине, приблизительно соответствующей нулевым температурным амплитудам (с точностью 0,1⁰С) (рис. 1.5) [7,9].

Рис. 1.5. Схематический температурный раз­рез толщи вечномерзлых грунтов: 1 – распределение по глубине температуры грунта в зимний период; 2 – то же в летний период; h_д – мощность деятельного слоя; h_ск – глубина затухания сезонных колебаний температуры воздуха; Н – мощность толщи вечномерзлых грунтов

По глубине вечномерзлые грунты имеют разнообразный характер залегания: непрерывны или переслаиваются талыми. Слоистое распространение вечномерзлых грунтов встречается в районах, где температура на глубине нулевых амплитуд ее колебаний близка к 0 °С или где грунтовые воды связаны с поверхностными. Верхняя граница вечномерзлых грунтов определяется границей максимального сезонного оттаивания (промерзания) грунтов.

При полном замерзании в течение холодного сезона деятельного слоя мерзлота является сливающейся. Если между сезоннопромерзшим слоем и верхней поверхностью вечномерзлого грунта сохраняется талый прослоек, то мерзлота – несливающаяся (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Виды мерзлоты: а – сливающаяся; б – несливающаяся; h_от – глубина сезонного оттаивания грунта; h_пр – глубина сезонного промерзания грунта; h_т – толщина слоя талого грунта; УВМГ – уровень вечномерзлого грунта

В зависимости от содержания льда различают следующие вечномерзлые и мерзлые грунты: сильнольдистые (объемная льдистость более 50 %); льдистые (то же от 50 до 25 %); слабольдистые (то же менее 25 %) [7,10].

Сильнольдистые глины, суглинки и супеси при оттаивании переходят в текучее, текучепластичное и пластичное состояния и обладают низкой несущей способностью.

Слабольдистые грунты при том же составе при оттаивании, приобретая тугопластичную или полутвердую консистенцию, являются малосжимаемыми, характеризуются более высокой несущей способностью.

Льдистые грунты по своим свойствам занимают промежуточное положение.

По физическому состоянию вечномерзлые и мерзлые грунты подразделяют на твердомерзлые (низкотемпературные), прочно спаянные со льдом, практически несжимаемые, и пластичномерзлые (высокотемпературные) с большим содержанием незамерзшей воды, относительно мало сжимаемые в мерзлом состоянии [10].

Твердомерзлые грунты – прочно сцементированны льдом, характеризуются относительно хрупким разрушением и практически несжимаемые под нагрузками, коэффициент их сжимаемости не превышает 0,05 см²/кг [4]. К твердомерзлым относят песчаные и глинистые грунты при температуре, °С, ниже: 0 – для крупнообломочных; 0,3 – для песков крупных и средней крупности; –0,3 – для песков пылеватых; –0,6 – для супесей; –1,0 – для суглинков; –1,5 – для глины.

Пластичномерзлые грунты – сцементированны льдом, но обладают вязкими свойствами (из-за содержания в них значительного количества незамерзшей воды), характеризуются способностью сжиматься под нагрузками от сооружения, коэффициент сжимаемости более 0,05 см²/кг. К пластичномерзлым относят песчаные и глинистые грунты со степенью заполнения пор льдом и незамерзшей водой 0,8, если их температура находится в пределах от 0 °С до значений для твердомерзлых грунтов.

Сыпучемерзлые грунты – не сцементированны льдом (из-за малой влажности ), песчаные и крупнообломочные (0,05) обладают такими же свойствами сжимаемости, как и немерзлые грунты аналогичных составов.

Глубина летнего оттаивания для области вечномерзлых грунтов является величиной, характеризующей зону сезонных изменений температуры грунтов, т. е. зону периодического оттаивания. В инженерной практике слой ежегодного зимнего промерзания и летнего оттаивания называют деятельным слоем грунтовой толщи (см. рис. 1.3).

Нижнее положение вечномерзлых грунтов определяется широтой местности: в направлении с юга на север граница мерзлоты постепенно понижается, достигая в северной части материка глубины 500–600 м. Локальные изменения ее мощности зависят от крупных элементов рельефа.

Температура вечномерзлых грунтов является одним из главных факторов, определяющим пригодность мерзлых грунтов в качестве оснований искусственных сооружений. В зависимости от глубины вечномерзлой толщи грунта по температурному фактору различают две зоны: зону аккумуляции, которая характеризуется сезонными колебаниями температур, мощностью обычно 15–20 м; зону нулевых годовых амплитуд с постоянной, не меняющейся в течение года температурой.

В южных районах северной строительно-климатической зоны, например в Ургале, мощность вечномерзлого грунта составляет 30–70 м, а температура на уровне нулевых амплитуд = 0,5÷1,5^оС; в зоне Тынды – 100–150 м, а = 3÷5^оС; в Якутске – 300–700 м, а = 7÷12^оС.

Существует следующая приближенная классификация мерзлотных условий районов Забайкальской и Дальневосточной железных дорог [11] (табл. 1.2).

Температура на поверхности грунта отличается от температуры наружного воздуха. летом солнечная радиация повышает температуру поверхности, а зимой снежный покров защищает ее от охлаждения. Кроме того, оказывают влияние затраты тепла на испарение, затенение поверхности и другие факторы.

Таблица 1.2