2.2.3. Многолетнемёрзлые грунты

Многолетнемёрзлые⁴ грунты представлены в северо-восточной части России (севернее 65^о широты). Они находятся в мёрзлом состоянии уже длительное время (много тысячелетий), лишь летом оттаивая на небольшую глубину (1…3 м). Основоположником мерзлотоведения считается Н.А. Цытович. Многолетнемёрзлые грунты исследовались и др. российскими учёными: М.И. Сумгиным, Ю.К. Зарецким, И.А. Тютюновым, С.С. Вяловым, Г.В. Порхаевым, Р.С. Зиангировым и др. Результаты их исследований положены в основу СНиП на проектирование оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах, а также ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

Льдо-цементные связи и постоянная отрицательная температура делают многолетнемёрзлые грунты достаточно прочными природными образованиями. Однако по мере застройки территорий поровый лёд оттаивает, структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, грунт переувлажняется талой водой и превращается в разжиженную массу, не способную обеспечить геостойкость построенных зданий и сооружений. Результат – тепловое проседание, или просадка многолетнемёрзлых грунтов. Благодаря сходству морфологических форм с обычным карстовым провалом это явление получило название термокарста. Однако, правильнее называть это явление термопросадка, протаивание, поскольку оно не связано с химическим процессом карстового растворения.

Многолетнемёрзлые грунты (по старой терминологии – вечная мерзлота) образовались около 0,7 млн. лет назад во времена раннего плейстоцена. Тогда на Земле впервые произошло похолодание, которое вызвало надвигание на сушу огромных масс льда морей и океанов. Затем наступило потепление, лёд растаял. Это повторялось периодически, причины этих процессов не выяснены⁵.

Многолетнемёрзлые грунты покрывают около 40 млн. км² (27%) суши земного шара и около 19 млн. км² (12,7%) площади России. Первая информация о существовании мёрзлых пород появилась в 16 в. Мерзлотоведение, или геокриология, как наука возникло в 19 в. Предметом её изучения стала криолитозона, часть земной коры, содержащая мёрзлые породы.

М аксимальная мощность многолетнемёрзлых толщ горных пород достигает 1300…1500 м, а среднегодовая температура на глубинах 10…20 м составляет от -12 до -15 ºС и ниже. Схематический температурный разрез толщи многолетнемёрзлых грунтов показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Схематический температурный разрез толщи многолетнемёрзлых грунтов: –Т С и +Т С – область отрицательных и положительных температур, h₁ – подзона сезонного оттаивания грунтов, h₂ – зона повышения температуры до 0 С, h₃ – зона положительных температур, h₄ – зона отрицательных температур с незамёрзшей водой, Н – мощность многолетнемёрзлых грунтов

По кривой изменения температуры грунта в зависимости от глубины видно: глубина h₁ соответствует сезонному промерзанию и оттаиванию (здесь температура не остается постоянной). В зависимости от времени года она меняет своё значение с положительного на отрицательное. Причём амплитуда температур слоя сезонного промерзания тем больше, чем глубже многолетнемёрзлые грунты уходят в материк. Ниже верхней границы многолетнемёрзлой толщи (глубины, ниже которой достигается максимальное летнее протаивание грунтов) температура горных пород всегда ниже или равна нулю.

Начиная с некоторой глубины на участке h₂ наблюдается постепенное повышение температуры мёрзлой толщи до 0 ºС. Затем температурная кривая переходит в область положительных температур h₃. Следует заметить, что в нижней зоне температурной кривой слой грунтов h₄ вследствие значительных давлений от массы вышележащей толщи не содержит лёд в своих порах и не является мёрзлым. Это уникальное явление, по Н.А. Цытовичу, – результат понижения температуры плавления льда в обжатом состоянии. При этом возникает эффект мельтинга (англ. melting – таяние), т.е. принудительный переход льда в воду под значительной сжимающей нагрузкой (см. гл. 3.3.6.2). При данной отрицательной температуре слой грунтов h₄ содержит переохлаждённую незамерзающую воду.

Результаты научных исследований многолетнемёрзлых грунтов легли в основу методов строительства зданий и сооружений, прикладного использования искусственного замораживания грунтов в строительстве и горном деле. Последние были эффективно апробированы в 30…50 гг. 20 в. при проходке транспортных тоннелей метрополитенов в переувлажнённых грунтах. Следует иметь в виду, что на тот момент ещё не были разработаны такие геотехнические решения, как стена в грунте, напрягаемый анкер и струйная цементация, позволяющие отказаться от метода замораживания грунтов.

Подземное пространство многолетнемёрзлых грунтов используется для устройства даровых холодильников. Так, уникальный холодный склад с t = -18 ºС реализован в Норвегии (архип. Шпицберген) на глубине 138 м. В нём хранятся представители 4,5 млн. семян флоры со всех континентов на случай форс-мажорных ситуаций на Земле.