Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики

Если рассмотреть разрез толщи земной коры с вечномерзлыми породами, то можно обнаружить два типа залегания пород с устойчивой отрицательной температурой. Верхний слой земли летом оттаивает, а зимой замерзает. Этот слой (рис. 1, слой Д) сезонно-переменных положительных и отрицательных температур называют деятельным слоем. Мощность деятельного слоя зависит от климатических условий, петрографического и минералогического состава пород и характера растительного покрова.

Ниже слоя вечномерзлых пород залегают толщи земной коры с постоянной положительной температурой (рис. 1, слой Г). Так как летний и зимний режимы из года в год имеют неодинаковые температуры, то мощность деятельного слоя может измениться (рис. 1, б,слои Дмакс и Дмин). Слой, соответствующий разности между Дмакс и Дмин, называют слоем возможных перелеок мерзлоты  (слоя П).

Расположение зон деятельного и мерзлого слоев, показанное на рис. 1, а, б, называют сливающейся мерзлотой, потому что зимой обе эти зоны сливаются в одну зону отрицательных температур.

В отдельных случаях между деятельным слоем вечномерзлых пород может находиться слой Т с постоянно положительной температурой (рис.1, в). Такой слой называют таликом, а мерзлоту несливающейся. Замечено, что в некоторых зонах встречается чередование талых и мерзлых слоев, такую мерзлоту называют слоистой.

Поверхностный слой грунта в районах распространения вечномерзлых грунтов, подвергаемый сезонному оттаиванию и промерзанию, называется: сезонно-промерзающим — оттаивающий летом и промерзающий зимой, но без слияния с толщей вечномерзлого грунта; сезонно-оттаивающим — оттаивающий летом и промерзающий зимой до полного слияния с толщей вечномерзлого грунта.

В более холодных районах вечномерзлые породы залегают сплошными покровами, распространенными на громадных территориях. Такое залегание называют сплошной мерзлотой. В более теплых районах в сплошных покровах вечной мерзлоты встречаются участки, не содержащие многолетнемерзлых пород. Такую мерзлоту называют несплошной. В еще более теплых районах участки, содержащие вечномерзлые породы, встречаются только в виде островов среди пространства, не содержащего вечной мерзлоты; в этих случаях мерзлоту называют островной.

Характеризуя мерзлоту той или иной криолитозоны, необходимо указывать залегание вечномерзлых пород в разрезе (сливающаяся, несливающаяся, слоистая) и простирание их в плане (сплошная, несплошная, островная).

Установившиеся соотношения между деятельным слоем и слоем вечномерзлых пород не постоянны. В зависимости от климатических условий в каждой криолитозоне может происходить накопление или потеря тепла. В таких случаях говорят о наступлении или отступлении мерзлоты. Кроме тепловых условий атмосферы на режим мерзлоты влияют и другие факторы: наличие снегового или травяного покрова и обнаженность земной поверхности; состав пород деятельного слоя; присутствие торфяников в верхнем слое. Все эти обстоятельства влияют на теплопроводность деятельного слоя и, следовательно, на количество тепла, передаваемого мерзлому слою или отнимаемого у него.

Абсолютная величина отрицательной температуры вечномерзлых пород невелика и колеблется в пределах от 0 до 8° С. Температура ниже —8° отмечается крайне редко. В каждом отдельном регионе криолитозоны устанавливается своя средняя температура. Наиболее распространены регионы с отрицательной температурой мерзлоты от -1 до -3° и от -3 до -5° С.

Происхождение вечной мерзлоты до настоящего времени еще неясно. Первые исследователи считали вечномерзлые породы остатком древних оледенений. Наличие ископаемого льда и теория фазовой завесы могли служить подтверждением таких взглядов.

Однако в настоящее время установлено несовпадение между границами оледенений и современными границами залегания вечно-мерных пород. Такие исследователи, как Мидендорф и Г. Вильде, связывали образование вечной мерзлоты с местными климатическими условиями. Замечено, что выше уровня моря на каждые 200 м подъема среднегодовая температура падает примерно на 1°С. Вечная мерзлота, по мнению

Г. Вильде, могла образоваться в районах со среднегодовой температурой —2° С и ниже. Современные границы залегания вечномерзлых пород достаточно близко отвечают этому условию.

М. И. Сумгин исходит из того, что в конце плиоцена начались сильные похолодания. Периодически повторяясь, эти похолодания вызвали дефицитный баланс тепла и обусловили появление многолетней мерзлоты. По времени эти похолодания могли быть связаны с оледенениями первой половины четвертичного периода. Таким образом, М. И. Сумгин как бы обобщает предыдущие гипотезы. Однако следует считать, что происхождение многолетней мерзлоты пока еще окончательно не выяснено. Исследования, которые проводятся в настоящее время, вероятно, дадут возможность решить этот вопрос.

Вода, заполняющая поры нескальных пород, при замерзании играет роль достаточно прочного цемента и превращает породу в твердую монолитную массу. Этот процесс сопровождается изменением объема породы при замерзании и оттаивании и характеризуется величиной относительного сжатия f. При переходе мерзлого грунта в оттаявшее состояние f представляет отношение изменения толщины слоя грунта при оттаивании под нагрузкой к его первоначальной толщине и выражается формулой

f = (Ам - hT)/hM = (ем - ет)/(1 + еи)

где Ам —толщина слоя мерзлого грунта; hT — толщина слоя того же грунта после перехода в оттаявшее состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении; ем — коэффициент пористости породы природного сложения в мерзлом состоянии; еи — коэффициент пористости породы природного сложения после ее перехода в талое состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении.

Для глинистых пород еи определяется при влажности на границе текучести, для песчаных — при оттаивании образца без встряхивания в условиях свободного стекания талой воды. При достаточно больших значениях f в случае оттаивания мерзлого слоя происходит резкое уменьшение занятого им объема, что, в свою очередь, вызывает значительные просадки.

Очевидно, если известны величина относительного сжатия мерзлого грунта при оттаивании f и мощность возможного протаивания мерзлоты h, то суммарная величина просадки при протаивании

S = bh.

В процессе перехода деятельного слоя из талого состояния в мерзлое и обратно возникает ряд инженерно-геологических явлений. Широко распространены наледи, ледяные бугры (булгуняхи), солифлюкция, термокарст и др.

Наледи образуются подземной водой, вырывающейся зимой на поверхность. В замерзающей надмерзлотной воде развивается высокое давление. Переохлажденная вода взрывает образовавшуюся корку льдонасыщенной породы, вырывается на поверхность и в силу состояния переохлаждения немедленно замерзает. Наледи образуют громадные скопления льда в виде натеков и сталактитов по склонам местности, перекрывают полотно дорог. Отмечены случаи, когда замерзающие подземные воды прорывались в подполья и нижние этажи домов, образуя в них наледи, и вытекали из окон своеобразными ледопадами.

Образование наледей на проезжей части дорог объясняется тем, что за счет уплотнения снегового покрова увеличивается глубина промерзания и, следовательно, увеличивается давление в замерзающей воде. Для борьбы с образованием наледей на дорогах рекомендуется прокапывать канавы или просто счищать снег вкрест потока подмёрзлотных вод. В этих местах образуются зоны более глубокого промерзания, поток надмерзлотных вод будет задержан и. образование наледей будет происходить в стороне от защищаемого места.

Наледи имеют самую разнообразную форму и по размерам занимают площади от нескольких десятков квадратных метров до нескольких квадратных километров. И. В. Попов указывает, что известна наледь площадью 20,5 км2 и мощностью 4,5—5,5 м.

М. И. Сумгин отмечает в ходе развития наледей четыре стадии: 1) первые дни наледи — лед тонкий, размеры невелики; 2) наледь крепнет, быстро растет в длину и ширину, появляются ледяные бугры; 3) наледь достигает предельной длины и ширины; мощность ее продолжает расти; ледяные бугры раскалываются, из некоторых льется вода; при образовании трещин происходят взрывы, глыбы льда весом до 200 т отбрасываются на расстояние 10 м и более; 4) наледь тает, рост прекращается, поверхность покрывается углублениями, каналами, рвами, бугры проседают; таяние начинается с весны, но в северных районах затягивается до июля и августа. Иногда наледи сохраняются до зимы и превращаются в многолетние.

Если замерзающая вода, поднимаясь по трещинам, не может пробиться на поверхность, то она приподнимает верхний слой земли, образуя бугор («булгунях»). Внутри такого бугра обычно имеется купол льда (гидролакколит). Иногда внутри гидролакколита имеется полость, заполненная водой. Деревья, поднятые с почвой при образовании бугра, наклоняются в разные стороны, образуя «пьяный лес». Размеры таких ледяных бугров в поперечнике достигают 80 м и более, а высота их доходит до 10 м в южных и до 30 м в северных районах.

В отдельных зонах залегают большие количества ископаемого

льда, перекрытого позднейшими отложениями осадочных пород. Ископаемый лед встречается на островах Ледовитого океана и на севере Азиатского материка. Так как отложения, перекрывающие его, по большей части являются моренными, то некоторые исследователи считают, что эти льды представляют собой погребенные остатки древних ледников. По мнению И. В. Попова, трещинный, или жильный, ископаемый лед и ледяные клинья образовывались параллельно с накоплением пойменных осадков аллювиальных долин в условиях суровых и малоснежных зим.

Вытаивание подземного льда и протаивание льдистых вечно-мерзлых грунтов в верхней части многолетнемерзлой зоны вызывают проседание поверхности и образование форм рельефа, по внешнему виду сходных с карстовыми, поэтому такие явления получили название термокарстовых. В зонах развития термокарста встречаются провалы и воронки размером от одного до нескольких метров в диаметре, западины, блюдца и ложбины — пологие понижения, достигающие сотен метров в диаметре и всего лишь десятков сантиметров в глубину, котловины оседания площадью до нескольких квадратных километров при глубине в несколько метров. Образовавшиеся впадины могут заполняться водой, образуя термокарстовые озера, играющие существенную роль в дальнейшем развитии термокарста. Термокарстовое озеро является как бы тепловой защитой, вызывающей утепление донных отложений. В связи с этим увеличивается глубина донного протаивания, что в свою очередь вызывает развитие термокарста.

Первопричиной возникновения термокарстовых явлений служит обнажение поверхности деятельного слоя в результате вырубки леса или распахивания почвы. Эти явления могут также возникнуть в результате потепления климата. Термокарст в более слабой степени может наблюдаться во всех районах залеганий ледяных линз и прослоек при их таянии.

При оттаивании льдонасыщенные илистые и глинистые грунты переходят в разжиженное состояние. Такие грунты, переувлажненные талыми и дождевыми водами, при углах склона 3—5° начинают течь, образуя натеки, уступы, борозды, террасы и другие формы микрорельефа.

 Такие  явления называются солифлюкцией. На Крайнем Севере, вдоль Северного  побережья, солифлюкция является  одним из важнейших факторов  в переработке и выравнивании рельефа. В ряде случаев она вызывает образование сложных ступенчатых склонов — нагорных террас. Высота склонов таких террас достигает нескольких десятков метров, а крутизна составляет 25—30° и в отдельных случаях доходит до 90°. Горизонтальные площадки, покрытые солифлюкционными  натеками мощностью до 4 м, простираются на сотни метров.

Своеобразный термический режим в криолитозонах требует особых методов строительства. В настоящее время в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности изменения свойств грунтов основания в требуемом направлении принимается один из следующих двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий и сооружений:

принцип 1 — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации здания или сооружения;

принцип II— вечномерзлые грунты основания используются в оттаявшем состоянии (с допущением оттаивания их в процессе эксплуатации здания или сооружения или с их оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения здания).

Выбор того или иного метода зависит не от желания проектировщиков, а от конструктивных и термических характеристик возводимых зданий и сооружений и от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых пород. Поэтому в итоге инженерно-геологического изучения толщ мерзлоты должны быть получены данные о возможности осуществления того или иного метода строительства.

Строительство с сохранением режима вечной мерзлоты является наиболее удобным во многих отношениях. Толща вечномерзлых. пород обладает многими свойствами скальных массивов, поэтому сооружения, фундаменты которых заделаны в мерзлую толщу, получают достаточную устойчивость. Однако любое здание или сооружение передает через фундаменты известное количество тепла. В зданиях и сооружениях, выделяющих малое количество тепла, возможны такие конструктивные решения фундаментов, при которых температурный режим сжимаемой толщи грунтов практически не изменяется. Все эти конструктивные мероприятия сводятся к тому, чтобы тепло, выделяемое зданием, поглощалось в пределах деятельного слоя и не распространялось на мерзлую  толщу. Тем не менее, даже в таких условиях деятельный слой непосредственно под зданием может зимой не промерзнуть. Такой участок будет более слабым по сравнению с окружающими, и в тех случаях, когда в данной местности возможно образование наледей, наледи будут прорываться в подполья и нижние этажи здания.