Многолетняя мерзлота

Многолетняя мерзлота имеет широкое распространение и находится главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура.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 вечномерзлых 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 не выяснено окончательно.Исследования, которые проводятся в настоящее время, вероятно, дадут возможность решить этот вопрос.

Читай начало статьи вечномерзлые грунты

Происхождение вечной мерзлоты

Мерзлые породы независимо от своего состава, как правило, водонепроницаемы.Поэтому подземные воды в областях залегания вечномерзлых пород можно разделить на три основных типа: подмерзлотные, межмерзлотные и надмерзлотные.
Подмерзлотные воды, залегающие ниже слоя вечномерзлых пород, по своим свойствам практически не отличаются от подземных вод в обычных условиях. В более северных широтах они развиты в коренных породах , а в более южных-в аллювиальных отложениях долин.Подмерзлотные воды часто обладают напором и могут быть использованы в качестве источника водоснабжения.

Межмерзлотные воды залегают в слое вечномерзлых пород.Как правило они приурочены к местным таликам и представляют собой изолированныескопления воды, иногда имеющие связь с подмерзлотными и надмерзлотными водами.Запасы межмерзлотных воды весьма ограничены, так как объем таликов, к которым они приурочены, незначителен.Вне таликов межмерзлотные воды могут встречаться в твердой фазе, образуя ископаемый лед.

В условиях слоистой серзлоты эти воды могут образовать сплошной водоносный горизонт и быть напорными или ненапорными, так же как и межпластовые воды в обычных условиях.В отдельных случаях возможно движение межмерзлотных вод по трещинам и другим нарушениям в толще мерзлоты. Такие воды могут быть уподоблены трещинным водам немерзлых зон.

Надмерзлотные воды представляют наибольший интерес. По характеру залегания они подобны грунтовым, так как имеют водонепроницаемое мерзлое ложе и свободную поверхность ( рис-1).В районах сливающейся мерзлоты надмерзлотные воды являются сезонно промерзающими, превращаясь в зимнее время в лед.В районах несливающейся мерзлоты эти воды могут быть сезонно полупромерзающими, когда замерзает их только их верхняя часть находящаяся в деятельном слое, или непромерзающими в тех случаях когда весь водоносный горизонт находится в талике.

Рисунок-1. Схемы залегания надмерзлотных вод:

а-сезоннопромерзающая; б-сезоннополупромерзающая ; в-сезоннонепромерзающая;

Движение надмерзлотных вод вызывается прежде всего теми же причинами и происходит по тем же законам, что и движение подземных вод в немерзлотных условиях и кроме того, давлением развивающимся в замкнутом пространстве , так как заключенная в нем вода замерзает и увеличивается при этом в объеме примерно на 9%.В мерзлотных условиях этот вид движения надмерзлотных вод имеет очень большое значение.

Известно, что вода замерзающая в замкнутом пространстве, может быть переохлаждена и находится в силу этого под большим давлением.Насколько велика сила давления переохлаждения, видно из известного примера с заготовкой льда в ящике. Для заготовки льда ящик размерами 30 х 10 х 6 м сразу заполнили водой, вместо того чтобы последовательно заливать ее и замораживать тонкими слоями. Вода начала замерзать сразу со всех сторон, а ее внутренняя часть оказалась под огромным давлением и, вероятно, в состоянии переохлаждения.

Произошел взрыв громадной силы, выбросивший глыбы льда объемом по несколько кубических метров на расстоянии до 20-30 м.Более мелкие куски льда были отброшены на еще большие расстояния.Из сказанного видно, что напор переохлаждения является достаточным для того, чтобы вызвать движение воды.

Инженерно-геологические явления в зонах залегания вечномерзлых пород

Наледи:

Как уже было указано, 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 δ.При переходе мерзлого грунта в оттаявшее состояние δ представляет отношение изменения толщины слоя грунта при оттаивании под нагрузкой к его первоначальной толщине и выражается формулой:

δ=(hm-ht)/hm=(em-et)/(1+em) (1)

где hm-толщина слоя мерзлого грунта; ht-толщина слоя того же грунта после перехода в оттаявшее состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении; em-коэффициент пористости породы природного сложения в мерзлом состоянии ; et-коэффициент пористоти породы природного сложения после ее перехода в талое состояние в условиях невозможности бокового расширения при заданном давлении. Для глинистых пород et определяется при влажности на границе текучести, для песчаных -при оттаивании образца безвстряхиваия в условиях свободного стекания талой воды. при достаточно больших значениях δ в случае оттаивания мерзлого слоя происходит резкое уменьшение занятого им объема, что в свою очередь, вызывает значительные просадки.

Очевидно что если известны величина относительного сжатия мерзлого грунта при оттаивании δ и мощность возможного протаивания мерзлоты h, то суммарная величина просадки при протаивании S=δh.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 другие. 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 домов своеобразными ледопадами.

Образование наледей на проезжей части дорог объясняется тем, что за счет уплотнения снегового покрова увеличивается глубина промерзания и следовательно, увеличивается давление в замерзшей воде. Для борьбы с образованием наледей на дорогах рекомендуется прокапывать канавы или просто счищать снег вкрест потока подмерзлотных 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 до 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 поднимает верхний слой земли , образуя бугор, (булгунях).Внутри такого бугра 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 погребенные остатки древних ледников.По мнению Попова И.В. , трещинный или жильный, ископаемый лед и ледяные клинья образовались параллельно с накоплением пойменных осадков аллювиальных долин в условиях суровых и малоснежных зим.

Вытаивание подземного льда и протаивание льдистых вечномерзлых 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 развитие 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 залегания 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 несколько 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.

Инженерно-геологические условия строительства в криолитозонах

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 I-вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течении 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 и 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 грунтов ( пород).Поэтому в итоге инженерно-геологические 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 .Толщи 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.Значительная часть промышленных и гражданских зданий выделяют такие количества тепла, которые неизбежно ведут к нарушению температурного режима мерзлых слоев.

Кроме того во многих промышленных зданиях возможны вибрации от установленных машин. Вибрационная нагрузка способна нарушать прочность льда и переводить его некоторую часть в такое состояние. В таких случаях строительство по методу сохранения температурного режима мерзлых толщ невозможно и следует предусмотреть возможность предварительного или последующего оттаивания. Оттаивание мерзлой толщи резко изменяет не только физико-механические характеристики пород, но и их объем.

Возникает проседание массы грунта под сооружением, в результате чего сооружение теряет устойчивость и прочность. При инженерно-геологических исследованиях в этих последних случаях возникают две задачи: установить возможность применения метода последующего оттаивания и установить зону ( или как говорят, чашу) возможного протаивания( рис-2).

Рисунок-2. Образование чаши протаивания под зданием :

tп-температура в помещении; tм-начальная температура мерзлого грунта; b-ширина здания; hc-глубина протаивания под серединой здания; hk-глубина протаивания под краем здания; ξk-величина протаивания сбоку здания.

Для осуществления строительства по методу последующего оттаивания необходимо, чтобы в пределах чащи протаивания не содержалось отдельных скоплений льда в виде линз, штоков и прочее.Оттаивание таких ледяных включений приведет к местному резкому ( примерно на 10%) уменьшению объема грунта и вызовет просадку соответствующей части здания или сооружения. Поэтому при исследованиях необходимо особо тщательное изучение строения мерзлой толщи.