Раздел IV. Инженерно-геологические процессы и явления

13. Оползни и оползневые явления

представляют собой весьма распространенные явления и зачастую существенно осложняют условия строительства. Оказавшиеся на оползневом теле здание, автодорога, портал тоннеля или опора мос­та при накоплении деформаций определенной величины неминуемо становятся непригодными к эксплуатации. Оползни природных скло­нов в городах Крыма, Кавказа, Поволожь* ежегодно приносят значи­тельный ущерб. Иногда случаются грандиозные и быстропротекаю-щие обрушения, влекущие за собой человеческие жертвы. В долине Вайонт (Италия) в 1962 г. в водохранилище электростанции рухнул склон горы объемом 300 млн м3. Переплеснувшаяся через плотину волна привела к гибели более 3000 человек. В Канаде в 1903 г. обру­шившаяся гора Тертл захоронила под своими обломками городок Франк с 70 жителями. Грандиозный обвал более 2 млрд м3 породы на Памире в начале XX столетия не только засыпал кишлак, но и привел к образованию большого Сарезского озера. В 1956 г. оползень уголь­ного террикона в Аберфане (Англия) засыпал школу и несколько до­мов. Погибли 144 человека, в том числе 116 детей.

13.1. Факторы, вызывающие оползневые явления

Выявление факторов, обусловливающих оползневые деформации или создающих предпосылки для таковых, является одной из важ­нейших задач инженерно-геологического обследования территорий. Выявленные факторы позволяют прогнозировать развитие оползня или наметить пути к его стабилизации.

Природный склон, откос котлована или насыпи устойчивы до тех пор, пока напряжения в них (сдвигающие силы) не превосходят проч­ности (удерживающих сил), так что в конце концов любое наруше­ние устойчивости есть результат либо повышения сдвигающих, либо понижения удерживающих сил.

56

К числу главных факторов относятся:

а) изменение крутизны склона вследствие денудационных процес­сов (речная эрозия, морская абразия) или искусственной подрезки;

б) дополнительная пригрузка откоса насыпью или сооружением;

в) динамические воздействия: природные (сейсмические) и тех-

HUI \^flllDlV ^Дш JU.1V1T1 "lVViVriV 4U1 »J 1 JJUW U 1 UlVUJ,riA IVJVAUIinJlVlUD

и взрывных работ);

г) изменение влажности;

д) воздействие грунтовых вод (суффозия, взвешивание, гидродинамический напор);

е) выветривание поверхности склона. Две первые группы факторов повышают уровень сдвигающих

сил. Динамические воздействия ведут не только к кратковременному увеличению сдвигающих сил, но в обводненных откосах могут выз­вать тиксотропные изменения], сопровождающиеся падением проч­ностных свойств грунта. Увлажнение сухих грунтов всегда сопро­вождается снижением их прочности; особенно это относится к гли­нистым грунтам. Воздействие грунтовых вод может вызвать как не­благоприятные для устойчивости изменения напряженного состоя­ния (разгрузка скелета грунта от нормальных напряжений при неиз­менных касательных), так jti снижение прочности вследствие ме­ханической и химической суффозии. Выветривание снижает связность поверхностных слоев грунта откоса, приводит к их осыпанию.

Классификация оползневых деформаций:

движение поверхностных образований на склонах: осыпи, куру­мы; контактные оползни;

оползни в глинистых породах: с цилиндрической поверхностью скольжения, с выдавливанием мягких подстилающих пород (блоковые).

деформации скальных склонов: осыпание, обрушения по повер­хности ослабления, обвалы.

13.2. Движение поверхностных образований на склонах

Осыпи

У подножья крутых склонов накапливаются конусы или преры­вистые валы глыб, камней, щебня и более мелких частиц. Мощность этих накоплений может достигать нескольких десятков метров. Мас­

57

сивные кристаллические породы образуют крупнообломочные осы­пи, менее прочные разности пород - среднеобломочные. Из осадоч­ных пород и сланцев образуются мелкообломочные осыпи.

Поверхностные слои осыпи, на которую активно поступает све­жий обломочный материал, находятся в непрерывном движении, ус­коряющемся в период снеготаяния, дождливые сезоны. Если поступ­ление свежего материала или замедлилось, или прекратилось, осыпь постепенно стабилизируется.

Угол естественного откоса материала осыпей <р колеблется от 30-32° до 35-37° в зависимости от состава пород и крупности обломков. Фактический угол откоса осыпи а в зависимости от интенсивности поступления свежего материала может быть существенно ниже угла естественного откоса. Отношение а/ф называется коэффициентом подвижности осыпи К. Сте/гень подвижности осыпей приведена в таблице. / /

Коэффициент подвижности	/ Характеристика состояния осыпи /
1	Подвийсная. Активное поступление свежего материала. Скорость движения осыпи составляет метры в год
0,7-1	Достаточно подвижная
0,5- 0,7	Сл&бо подвижная
<0,5	Неподвижная. Поступление свежего материала отсутствует

На подвижных осыпях растительность отсутствует, неподвиж­ные осыпи постепенно зарастают. Строительство на подвижных осы­пях недопустимо. В то же время крупнообломочные грунты непод­вижных осыпей могут служить хорошим основанием для различных сооружений.

Для защиты автомобильных и железных дорог, порталов тонне­лей и других сооружений от поступления осыпающегося сверху по склону обломочного материала применяют подпорные стены, галереи.

Материал осыпей может представлять собой сырье для приготовления строительного щебня.

Курумы

На относительно пологих участках у подножья крутых склонов, в ложбинах и днищах долин часто скапливаются россыпи глыб и круп­ных обломков, называемые курумами. Особенно грандиозных разме­

57

ров курумы достигают в Сибири, где морозное выветривание спо­собствует отделению крупных глыб. Курумы насыщены глинистым материалом, имеют, как правило, и глинистое ложе. Благодаря этому курумы подвижны даже на очень пологих склонах. Мощность куру-мов достигает 15 м, а скорость движения - 1 м в год. Источником подвижности курумов является вода, увлажняющая глинистый мате­риал. Борьба с подвижностью курумов сводится к перехвату поверх­ностных вод, но ввиду плохой водоотдачи глинистого заполнителя курумы поддаются стабилизации с большим трудом.

Контактные оползни Склоны долин в горных районах покрыты слоем элювиально-делювиальных грунтов мощностью до нескольких десятков метров. Контакт между рыхлыми и коренными породами связан обычно с рез­ким изменением коэффициента фильтрации и вследствие этого, как правило, обводнен. Вся толща склоновых отложений вследствие об­щего закона денудации постепенно перемещается вниз. Этот процесс может ускоряться в дождливые годы при подъемах уровня грунто­вых вод, может и на длительное время приостанавливаться после крупной подвижки. При относительно небольшой глубине поверх­ностные оползни могут иметь большую длину вверх по склону, при­обретая форму потоков. Наличие в основании поверхностного опол­зня давно сформировавшейся поверхности скольжения делает их рав­новесие даже в периоды стабилизации весьма хрупким. Это равнове­сие легко нарушается при сейсмических воздействиях, при таких тех­ногенных воздействиях, как, например, прокладка автодороги, не­умеренный полив огородов. Признаками регулярно протекающих подвижек на склоне может служить так называемый «пьяный лес», когда деревья в лесу хаотически наклонены в разные стороны, или «саблевидный лес», когда деревья вследствие постоянного и медлен­но протекающего движения грунта получают искривленную сабле­видную форму.

Комплекс мер по стабилизации поверхностного оползня может включать дренаж, укрепление сваями, подпорными стенами. Во из­бежание подрезки или дополнительной пригрузки оползневых скло­нов автодороги по ним нередко прокладывают на виадуках, опоры которых имеют основанием коренное ложе склона.

58

13.3. Оползни в глинистых породах

Оползни с цилиндрической поверхностью скольжения (рис. 50) возникают обычно при искусственной или быстрой эрозионной под­резке склона. Они характерны для берегов рек, морей, котлованов в сравнительно однородных грунтах. Часто подобные деформации cjry-чаются в берегах водоемов с переменным уровнем воды. Размеры таких оползней обычно ограниченны, и-с-ними возможно бороться выполаживанием откоса, подвалкой его нижней части.

з

Рис. 50. Морфология оползневого склона: I - тело оползня; 2- поверхность скольжения; 3 - бровка срыва; 4 - оползневые террасы; 5 - вал выпирания; 6 — нижний край оползня; 7 первоначальная форма склона; 8 - устойчивый массив

Если слой глинистой породы перекрывается более прочными породами, то при наличии даже малого уклона могут развиваться блоковые оползни. Слой покрывающих прочных пород разрывается на крупные глыбы, очень медленно скользящие по вязкопластичному глинистому ложу. Обычно эти движения столь медленны, что часто даже не замечаются жителями деревень, расположенных на отдель­ных блоках. Но эти движения необходимо учитывать при возведении капитальных сооружений.

Поверхность оползневых склонов, как правило, обладает характерными морфологическими признаками, которые позволяют распознавать их неустойчивое состояние при визуальном осмотре или при анализе аэрофотоснимков. Типичными признаками оползневого

58

склона является бугристая поверхность, наличие бровок срыва (см. рис. 50) в верхних частях отдельных оползневых тел. В районе бровок срыва нередки суффозионные воронки, а на оползневых тер­расах - заболоченность. В нижней части оползневого склона наблю­даются валы выпирания, имеющие рыхлую вспученную поверхность.

13.4. Деформации скальных откосов

Вследствие физического выветривания с поверхности сильных скло­нов и откосов происходит осыпание, питающее обломочным материалом распололсенные ниже осыпи. Интенсивность осыпаний определяется со­ставом пород и интенсивностью трещиноватости. У массивных нетрещи-новагых гранитов скорость осыпания (выветривания) составляет доли миллиметров в год, а у мергелей, сланцев-до 200 мм в год. Быстро вывет­риваются и осыпаются кислые излившиеся магматические породы: липа­риты, трахиты. При наличии густой трещиноватости естественного или техногенного происхождения процесс осыпания активизируется, поэто­му важнейшей мерой обеспечения устойчивости скального откоса^при взрывной разработке котлована являегся применение специальщ>тх мето­дов взрывания, сохраняющих естественную структуру массива.

Обрушения скальных склоноа.и откосов происходят при нали­чии в массиве поверхности ослабления, подрезанной наклонной по­верхностью склона (рис. 51). Устойчивость небольших откосов про­тив обрушения может быть повышена применением свайного или анкерного укрепления.

В крутых скальных склонах, сложенных трещиноватыми поро­дами, могут иметь место обвалы и-б^-задаиных поверхностей ос­

Рис. 51. Обрушение скального откоса по трещине 106

лабленияЛолчком к обвалу может служить землетрясение, Так обра­зовались подпруженные огромными обвалами озера Рица на Кавказе и уже упоминавшееся Сарезское на Памире.

13.5. Изучение оползневых деформаций

Анализ стереоаэрофотоснимков позволяет довольно четко выяв­лять по характерным морфологическим признакам оползневые участ­ки склонов. За установленными или предполагаемыми оползневыми участками устанавливаются регулярные инструментальные геодези­ческие наблюдения по заложенным на поверхности оползневого тела геодезическим маркам. Анализ векторов подвижек марок за опреде­ленный интервал времени позволяет судить о скорости, направлении движения оползня, а при благоприятных определенных условиях -и о положении поверхности скольжения.

Более точные сведения о положении поверхности скольжения могут дать инклинометрические наблюдения в скважинах, пробурен­ных сквозь оползневое тело до неподвижного массива (инклинометр -прибор для измерения угла наклона скважин). Скважины для инкли-нометрических наблюдений обсаживаются гибкими полимерными трубами. Место резкого перегиба скважины в ходе оползневого дви­жения склона служит признаком поверхности скольжения.

Важным элементом изучения оползней являегся установление пу­тей питания подземных вод, поскольку обводненность - это непремен­ный и важнейший фактор движений грунтов со склонов различного рода.

14. Инженерно-геологические явления, связанные с действием подземных вод

Подземные воды вызывают ряд процессов и явлений в грунто­вой толще, которые могут серьезно осложнить строительство и эксп­луатацию сооружений.

14.1. Просадочные явления

Распространение лессов Просадочные явления возникают в лессовых грунтах при увлажнении.

59

Лессовые грунты покрывают около 9 % территории суши, в том числе ~15 % территории СНГ. Условной северной границей лессов можно считать линию Воронеж - Омск, хотя отдельные пятна лессо­вых грунтов встречаются значительно севернее этой линии.

Залегают лессы сплошным покровом мощностью от 10 до 100 м

.-с________---„„-К____,.„„Я^.ЛП АП.. V„„„.„„—„ .____--„С,„,„„™,,„

И UUJ1CC при ^родпсп миидпи^хп z.u—r\j т. yvapaiviupnouvii'i и^ии^ппиъ1лти

лессов, обусловливающими их специфические свойства, является высо­кая пылеватость (содержание фракции 0,05-0,002 мм более 50 %) при небольшом содержании глинистых частиц (до 15 %) и обогащенность карбонатами (СаС03). Лессовые грунты с содержанием глинистых час­тиц до 20-25 % называют лессовидными суглинками.

Относительно происхождения лессов существует несколько ги­потез. Наибольшее признание из них получила эоловая гипотеза, со­гласно которой лессы образовались при выдувании песчаных пус­тынь, оставшихся за отступающими ледниками.

Отложение пылеватых частиц происходило в травянистых степях, и на месте отмерших растений в лессах образовывались многочислен­ные пустоты, преимущественно в виде вертикальных канальцев. Пос­леднее обстоятельство определяет более высокую проницаемость лес­сов в вертикальном направлении по сравнению с горизонтальными направлениями. Общая пористость лессов составляет 0,4 и более.

Свойства лессов

Для лессов характерна низкая влажность (менее 0,15). По внешнему виду лесс представляет собой мучнистый связный грунт, разминающийся между пальцами, желтоватого или буроватого цвета. Наличие тлинис-тьгх частиц и карбонатов обеспечивает лессам при естественной влаж­ности заметную связность: вертикальные лессовые уступы могут иметь высоту 20 м. При замачивании лесса благодаря его высокой пористости и проницаемости влага быстро достигает каждой частицы, карбонаты частично растворяются, связи в глинистой фракции немедленно ослабе­вают и сопротивляемость лесса внешней нагрузке резко падает.

По реакции на замачивание лессовые грунты делят на три груп­пы: набухающие, непросадочные и просадочные. \

Набухающие лессы встречаются редко. Это плотные, с повышен­ной глинистостью разности, богатые монтмориллонитом. Коэффи­

60

циент набухания составляет 1-3, реже достигает 7 %. Давление набу­хания 50-100 кПа, реже 150—180 кПа.

Непросадочные лессовые грунты встречаются чаще: в понижен­ных частях рельефа, в нижней части лессовых толщ, на северных границах распространения лессов, одним словом, в тех местах, где лесс в прошлом претерпел замачивание.

Просадочность - характерное свойство лессов, присущее им в большинстве случаев. Сухой лесс (w = 0,07-0,09) большой ( > 10 м) мощности при глубоком уровне грунтовых вод, как правило, облада­ет просадочными свойствами. Влажный лесс сохраняет некоторую связность, благодаря чему' просадочность не проявляется до некото­рого давления, называемого начальным просадочным давлением ?нач. По величине начального просадочного давления лессовые грунты делят на две группы*:

I. Ртц = 130-200 кПа. Просадки толщи лессового фунта этой груп­пы от собственного веса при заманивании отсутствуют, а возникают лишь под дополнительной нагрузкой в основаниях зданий и соору­жений.

II. Рит < 130 кПа. Просадка толщи при замачивании от собствен­ного веса превышает 5 рм^

Лессовые толщи обладают просадочными свойствами на глуби­ну от 1-2 до 20-25 м и во всяком случае не ниже уровня грунтовых вод. В большинстве случаев мощность просадочных грунтов I груп­пы не превышает 10 м. В грунтах II группы (Восточное Предкавка­зье, Средняя Азия) мощность просадочных толщ достигает макси­мальных значений. Просадочные свойства грунтов I группы с глуби­ной снижаются, а грунтов II группы почти не зависят от глубины. Толщи грунтов II фуппы при замачивании под собственным весом могут иметь просадки до 1,5 м. Локальные замачивания приводят к образованию замкнутых просадок - «блюдец»; линейные замачива­ния, например, ирригационными каналами приводят к образованию линейных просадок.

Эпюра полных вертикальных напряжений (природных плюс до­полнительных) в основании сооружения имегт вид, изображенный на рис. 52. В зависимости от величины начального просадочного дав­ления Рнт зоны просадок в основании могут появляться только под

61

Рис. 52. Зоны просадок: / - при Р'т; 2 - при Р2^; II - просадочная толща; НП - непросадочныс слои

фундаментом (1) или также и в нижней части просадочной толщи (2). При еще более низкой величине Ртч просадки охватывают всю про-садочную толщу.--'

Строительство на просадочных грунтах

Просадочные явления наносят значительный ущерб существую­щим зданиям в городах. Утечки городских водоводов, особенно на вводах в здания, часто служат причиной просадок оснований и серь­езных деформаций зданий.

При строительстве на лессовых просадочных грунтах применя­ют три типа мероприятий; водозащитные, конструктивные и устра­няющие просадочность грунтов.

В качестве водозащитных мероприятий применяют планировку строительной площадки для отвода поверхностных вод; у стен зда­ний делают широкие отмостки для отвода стекающей с крыши воды за пределы оснований фундаментов; подвалы зданий тщательно гид-роизолируют во избежание попадания в грунт воды, случайно про­текшей в подвал; стыки водопроводных и канализационных сетей делают повышенной надежности, особенно на вводах в здания.

Конструктивные мероприятия приспосабливают конструкцию зданий и сооружений к возможным неравномерным осадкам. Сте­

61

нам придают повышенную жесткость, стыкам повышенную проч­ность, здания армируют поясами. Применяют свайные фундаменты, опирающиеся на глубинные непросадочные слои, уширенные фун­даменты, передающие на грунт нагрузки ниже начального просадоч­ного давления грунта. Длинные здания разрезают деформационны­ми швами.

В качестве меры, снижающей просадочные свойства грунтов, применяется предварительное замачивание толщ Ц^руппы и пере­вод ш^даким-образом в LiрунгтуОтот способ нашел широкое приме­нение при строительстве каналов. Выемка грунта под сооружением до ожидаемой границы просадочных явлений и обратная его укладка с одновременным увлажнением и трамбовкой - наиболее распрост­раненный метод устранения просадочных свойств в строительстве. Применяется также глубинная трамбовка через скважины.

Для ликвидации просадочных свойств грунтов в основании уже существующих зданий успешно применяется силикатизация.

14.2. Карст

Явления, связанные с выщелачиванием растворимых пород (известняков, доломитов, гипса) с образованием при этом пустот (ка­налов, пещер), сопровождающихся различными провалами земной поверхности, называют карстовыми явлениями, или карстом. Слово «карст» происходит от названия горного плато на территория Хорва­тии, где это явление широко развито.

Растворимость различных минералов характерезуется такими цифрами: для растворения одной части каменной соли необходимо 3 части воды, гипса - 480 частей воды, кальцита - 30000 частей. Растворимость кальцита растет при наличии в воде растворенного углекислого газа, способствующего переходу карбоната в бикарбо­нат с повышенной растворимостью.

Наиболее активно процесс растворения горных пород (коррозии) идет в зоне аэрации (рис. 53) - здесь образуется цепь пустот и по­лостей. Ниже уровня грунтовых вод скорость циркуляции воды за­медлена и, кроме того, воды уже насыщены раствором, поэтому ниже уровня грунтовых вод активный карстовый процесс уже не идет. Бли­жайший водоем или реку, являющиеся базисом стока для подземных

62

Рис. 53. Развитие карста: Г - зона активного карста; II - зона погребенного карста

вод, в отношении карстового процесса называют базисом коррозии. Изменение уровня базиса коррозии может вызвать образование вто­рого этажа карстовых полостей. Развивающийся карст называют ак­тивным, ниже уровня грунтовых вод - пассивным, а заполненный вторичным материалом - погребенным.

Образующиеся пустоты называют карстовыми формами. Разли­чают открытые (карры, воронки, полья) и скрытые (пещеры) формы.

Карры - это мелкие желоба глубиной до 1-2 м на наклонной по­верхности подверженного коррозии массива. Воронки - это углубле­ния различной формы и размеров диаметром от 3 до 50 м и глубиной от 1 м до десятков метров, образовавшиеся в результате выщелачива­ния массива сверху или провала покрывающих грунтов в подземную полость. Полья возникают в результате объединения провалов и во­ронок и могут тянуться на несколько километров. Пещерами называ­ют цепь подземных полостей (Кунгурская, Новоафонская пещеры).

Карст в гипсах может развиваться довольно быстро, поэтому стро­ительства на закарстованных гипсах избегают. В известняках карст развивается чрезвычайно медленно, поэтому во внимание принима­ют только уже существующие полости, разведку которых следует вести весьма тщательно.

При проходке тоннелей в закарстованных массивах неожидан­ная встреча заполненной водой карстовой полости является исклю­чительно опасной. Такие массивы должны быть тщательно разведа­

62

ны, а впереди забоя тоннеля ведут бурение опережающих скважин для выявления полостей на пути забоя и спуска воды из них в случае встречи.

14.3. Плывуны

Плывунами называют обводненные грунты с преобладанием тонкопесчаных, пылеватых и илистых частиц, которые при вскры­тии разжижаются и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости. Плывунными свойствами обладают слабые грунты Петербурга. Про­рывы плывунов неоднократно создавали серьезные помехи при про­ходке тоннелей метро. Особенно серьезными были две аварии в 1974 и 1995 гг. на перегоне от ст. «Лесная» до ст. «Площадь мужества», когда прорыв плывуна не только затопил тоннель на большом протя­жении, но и на поверхности образовалось оседание, которое привело к повреждению нескольких зданий.

Плывун в исходном состоянии недоуплотнен. Возникающий при вскрытии ток воды, во-первых, выносит с собой мельчайшие частицы, еще более снижая плотность, во-вторых, создает усло­вия для разворота частиц, потери ими опирания друг на друга и разжижения грунта. Такое явление отмечались ранее как свойство и крупнообломочных грунтов, но из плывунов вследствие мелко­дисперсного состава и низкого коэффициента фильтрации отток воды происходит чрезвычайно медленно. Если коэффициент филь­трации плывуна составляет 1--2 м/сутки и коллоидного материала в нем не содержится, то такой плывун при дренаже относительно легко отдает воду, теряет подвижность, а в высушенном состоя­нии приобретает сыпучесть. Если коэффициент фильтрации плы­вуна измеряется десятыми долями метра в сутки и даже меньше, и в его составе имеется коллоидный, особенно органический, ма­териал, то такой плывун практически не отдает воду, и плывун-ность у него является 'весьма устойчивым свойством. При высу­шивании он сохраняет связность.

Для защиты строительства от прорыва плывунов применяют дре­наж, защиту котлованов шпунтовым ограждением. Проходку тонне­лей в плывунах обычно ведут с применением искусственного замо­раживания. Также применяют кессонный метод проходки.

63

14.4. Суффозия

Суффозией называют процесс выноса из грунта растворенного (химическая суффозия) или взвешенного (механическая суффозия) материала. Вынос соли или гипса из засоленных и загипсованных грунтов, вынос пылеватых частиц из песка, вынос песка из крупно­обломочного грунта - все это будет сопровождаться увеличением пористости грунта, появлением в нем промоин, пустот.

Явление химической суффозии наблюдается при обводнении засоленных и загипсованных пород в аридных климатических зонах, например в Средней Азии.

Для протекания механической суффозии необходимы значитель­ные гидродинамические силы, которые возникают при достижении определенной критической скорости движения воды. Механическая суффозия свойственна гранулометрически неоднородным грунтам с коэффициентом неоднородности более 7. В этом случае крупные частицы создают каркас с крупными порами, через которые током воды выносятся мелкие частицы. Для«ачала процесса механической суффозии необходим определенный градоент напора подземных вод, обычнопорядка-5-м/м.

Суффозионные явления могут развиваться на поверхности и в глубине. При откопке котлованов в обводненных грунтах в откосах возникают крутые депрессионные поверхности и высокие градиен­ты напора, что в суффозионно неустойчивых грунтах сопровождает­ся выносом материала из нижней части откоса. По мере развития про­цесса появляются ниши выноса, откос теряет устойчивость. Суффо­зионные воронки часто образуются и на горизонтальной поверхнос­ти в районе бровок срыва оползневых тел, где грунт разрыхлен ополз­невым процессом, а в теле откоса вдоль поверхности скольжения имеется канал для протока воды.

Глубинная суффозия (механический карст) наблюдается на кон­такте суффозионно неустойчивого грунта с кавернозной породой. Характерные условия появления глубинной суффозии изображены на рис. 54: поток подземных вод в лессе / имеет высокий градиент напора и большую скорость на краю водоупорного пласта 2, отделя­ющего слой лесса от подстилающего закарстованного известняка 3.

63

УГВ 1		1^	I"2j ^\
	"I LLi-
i Jl

Рис. 54. Развитие суффозионной полости

Развивающаяся суффозия приводит к выносу лессовых частиц в ниже­лежащий слой с повышенной водопроницаемостью и образованию пустот (4), которые могут по мере своего развития служить причи­ной образования провалов на поверхности.

Для борьбы с суффозией в откосах применяется дренаж; против образования суффозионных воронок на поверхности используются отвод поверхностных вод, покрытие поверхности слоем трамбован­ной глины.

Для борьбы с различными видами суффозии, в том числе и с глу­бинной, применяется силикатизация. При строительстве на суффо­зионно неустойчивых грунтах целесообразно устраивать свайные фундаменты с опиранием концов свай на устойчивые слои.

15. Мерзлота и мерзлотные явления

15.1. Сезонное промерзание грунтов

Глубина зимнего промерзания грунтов изменяется от 0,2 м на юге России до 3-5 м на границе с районами вечной мерзлоты. Глуби­на промерзания зависит от климата, состава и состояния пород, тол­щины снежного покрова.

При замерзании воды объем ее увеличивается на 11 %. Кроме того, в промерзающем грунте силы поверхностного натяжения (тем большие, чем ниже температура) вызывают капиллярный подсос вла­ги из нижерасположенного водоносного горизонта (если с ним име­ется капиллярная связь). В итоге глинистые грунты при промерзании

64

способны существенно увеличивать свой объем. Это явление носит название морозного пучения, а грунт, обладающий этим свойством, называют пучинистым.

Поверхность пучинистого грунта в процессе промерзания при­поднимается, а при оттаивании опускается с амплитудой этих коле­баний до 5—10 см. Эти движения будут в той или иной степени увле­кать и расположенные на этом грунте или заглубленные в него со­оружения или их части.

В качестве мер защиты от морозного пучения применяют зало­жение фундаментов, коммуникаций, чувствительных к деформаци­ям, ниже глубины сезонного промерзания грунтов, засыпку пазух фундаментов неггучинистым грунтом.

15.2. Распространение и свойства вечной мерзлоты

Северные районы Европы, Азии, Северной Америки в течение многих тысяч лет со времени последнего оледенения имеют отрицательную температуру верхних слоев земной коры. Грунты, находящиеся неопределенно длительное время в мерзлом состоянии, называют вечномерзлыми, или вечной мерзлотой. Вечная мерзлота занимает в России 11,2 млн км2 - значительно больше половины тер­ритории страны.

Различают вечную мерзлоту сплошную, с таликами (то есть име­ющую участки талых грунтов), и островную (залегающую в виде ограниченных зон среди талых грунтов).

Разрастание мерзлоты во времени называют агградацией, а отта­ивание грунтов по границам вечномерэлого участка и сокращение его размеров - деградацией.

Температура пород сплошной мерзлоты обычно ниже-5°, в поро­дах с таликами -5°...-1,5°, в зонах островной мерзлоты - около 0°. Талики в вечной мерзлоте обычно обусловлены приносом тепла по­верхностными и грунтовыми водами.

В вертикальном разрезе вечномерзлой толщи выделяют: деятель­ный слой; собственно вечную мерзлоту; подмерзлотные слои.

Деятельный слой, оттаивающий в летнее время, имеет мощность от 0,2 до 2-4 м. Меньшая мощность деятельного слоя наблюдается в северных районах под теплоизолирующим слоем мха и торфа; мак­

64

симальной величины мощность деятельного слоя достигает вблизи юж­ных границ распространения вечной мерзлоты на открытых участках.

До того момента, когда деятельный слой промерзнет на всю глу­бину, между промерзшей корой и собственно вечной мерзлотой со­храняется талый прослоек. Подобное состояние называют слоистой мерзлотой.

В деятельном слое развивается ряд процессов, осложняющих строительство, и его мощность должна быть установлена достаточ­но надежно. Естественную мощность деятельного слоя определяют изысканиями, нормативную — по данным многолетних наблюдений, расчетную определяют с учетом теплового воздействия здания.

Собственно вечная мерзлота имеет мощность от нескольких мет­ров вблизи южных границ распространения вечной мерзлоты до 2600 м на севере Якутии. Под долинами крупных рек имеются тали­ки или верхняя граница вечной мерзлоты залегает глубоко.

По физическому состоянию различают следующие виды мерз­лых грунтов: а) твердомерзлые f частицы дисперсных грунтов сцементированы льдом в монолитную массу; б) пластично-мерзлые -те же породы при температуре -0,1 ...-0,7° с наличием льда и воды в порах, способные сжиматься под нагрузкой; в) сыпучемёрзлые - пес­чаные и гравелистые породы с температурой ниже О^-но с малым содержанием воды.

В районах с суровым климатом встречаются мощные толщи и линзы льда, так называемый погребенный лед.

15.3. Явления, связанные с вечной мерзлотой.

В районах вечной мерзлоты наблюдается рад специфических явлений, объединяемых названием криогенные (или мерзлотные) явления: пучение, наледи, термокарст, мари, солифлюкция. Все эти явления связаны с режимом подземных вод вечномерзлых толщ.

Выделяет следующие типы подземных вод: надмерзлотные; межмерзлотные; подмерзлотные.

Надмерзлотные воды образуются в деятельном слое при его от­таивании, своим непостоянным уровнем напоминают верховодку. Межмерзлотные воды - это воды талой части деятельного слоя при его промерзании сверху. Они имеют характер межпластовых вод, ча­

65

сто имеют напор. Подмерзлотные воды залегают ниже нижней гра­ницы вечной мерзлоты, вследствие слабой циркуляции обычно силь­но засолены, как правило, являются напорными.

Пучение грунтов деятельного слоя при его промерзании имеет тот же механизм, что и при промерзании сезонно-мерзлого слоя в умеренной климатической полосе. В зоне вечной мерзлоты это про­является сильнее благодаря высокому стоянию уровня надмерзлот-ных вод. Усилению этого явления способствует напор межмерзлот­ной воды, что часто наблюдается при промерзании деятельного слоя. Последнее обстоятельство может привести к образованию больших ледовых тел под коркой промерзшего грунта - так называемых гид­ролакколитов. Над гидролакколитами формируются бугры пучения. После протаивания гидролакколитов образуются западины, озера.

Промерзание деятельного слоя (или увеличение толщины льда в реке) сужает сечение потока подземных (или речных) вод. Возрастаю­щий напор может вызвать прорыв воды через верхний мерзлый слой грунта (или льда); разливающаяся вода образует наледи до нескольких метров толщины, создавая значительные помехи или полностью исклю­чая возможность использования территории для хозяйственных целей. Проникшая в подвалы зданий вода при замерзании разрушает их.

Если в основании здания имеется большое ледяное включение, то тепловой поток от здания может вызвать протаивание этого вклю­чения и образование пустоты. Такое явление называют термокарстом.

При оттаивании деятельного слоя подстилающая мерзлота явля­ется для надмерзлотных вод водоупором, поэтому деятельный слой на равнинных участках всегда заболочен. Болота на вечной мерзлоте носят название мари. На марях развиваются кочки, медленно нарас­тает малоразложившийся торф.

Последовательное замерзание-оттаивание грунта на поверхнос­ти склона ведет к постепенному сползанию поверхностного слоя. Это явление называют солифлюкцией.

15.4. Строительство в зоне вечной мерзлоты

Мерзлые грунты по своим механическим свойствам подобны полускальным грунтам. Их прочность на сжатие в зависимости от температуры может достигать 0,5-2 МПа и более. Причины повреж­

66

дения зданий и сооружений, построенных на вечной мерзлоте следую­щие: просадки и выдавливание грунтов при оттаивании; неравномер­ное пучение при промерзании талых слоев; деформации склонов (со-лифлюкция); прорыв межмерзлотных вод и образование наледей.

Строительство на вечномерзлых скальных породах, на крупных песках и галечниках при глубоком залегании грунтовых вод можно вести без каких-либо специальных мероприятий, поскольку прогрев таких пород не будет сопровождаться изменением их механических свойств. На других вечномерзлых грунтах строительство необходи­мо вести с принятием специальных мер защиты зданий.

Прежде всего необходимо изучить мощность деятельного слоя, строение вечномерзлой толщи, ее температуру, режим, свойства грун­тов, льдистость (показатель, эквивалентный влажности), клима­тические и другие факторы. Основной характеристикой сжимаемос­ти вечномерзлых грунтов является величина относительного сжатия под нагрузкой 0,1 МПа

e = (h -h)IJtf

где йц и ht - высота образца в мерзлом и талом состоянии.

При величине е > 0,08 грунты рассматриваются как просадоч­ные, а при е > 0,1 - как сильнопросадочные. В непросадочных грун­тах общая величина просадки в пределах деятельного Слоя не превы­шает 15 см, а в сильнопросадочных грунтах превышает 90 см.

Методы строительства на вечной мерзлоте следующие:

1) без учета вечномерзлого состояния грунтов (скальный грунт, сухой песок, гравий);

2) с сохранением вечномерзлого состояния грунтов основания в течение всего периода эксплуатации здания. В отапливаемых здани­ях устраивают проветриваемые подвалы. Зимой окна в подвал от­крывают и грунт промораживается, летом подвал закрывают, что за­медляет оттаивание грунта под зданием. Утечки из водопровода и отопительных сетей часто ведут к протаиванию грунта и деформаци­ям зданий, построенных в расчете на сохранение мерзлоты;

3) с допущением оттаивания после строительства. Этот метод применяется на малопросадочных грунтах; конструкция здания дол­жна допускать значительные неравномерные деформации;

66

4) с предпостроечным оттаиванием и уплотнением грунта. Этот способ применяется при строительстве зданий с большим тепловы­делением (горячие цеха заводов, банно-прачечные комбинаты и т. п.).

Для защиты от пучения применяются осушение территории, за­сыпка пазух фундаментов непучинистым фунтом. Для защиты от на­ледей устраивают мерзлотные пояса в виде канав глубиной 3/4 мощ­ности деятельного слоя (рис. 55). Промерзание грунта через дно ка­навы и смыкание верхнего мерзлого слоя с вечной мерзлотой создает защиту от прорыва межмерзлотных вод к охраняемым сооружениям. Для защиты от речных наледей отсыпают заградительные валы.

Рис. 55. Защита от наледей: У - промерзающий деятельный слой; 2 - талый слой с напорной межмерзлотной водой; 3 — вечная мерзлота; 4 - защитная траншея

Как показывает практика, повреждения зданий на вечной мерзло­те происходят вследствие недостаточных изысканий, неправильных проектных решений (например, малая длина свай), неправильных ме­тодов строительства (например, обводнение котлована при строитель­стве), неправильной эксплуатации зданий (например, протечки воды под здание и как следствие - оттаивание грунта основания).