Вечномерзлые грунты

Вечномерзлые грунты имеют широкое распространение и находятся главным образом в криолитозонах-территориях в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине из года в год сохраняется отрицательная температура. Это явление принято считать ( называть) вечной мерзлотой. По предложению П.Ф. Швецова, такие зоны стали называть криолитозонами. Учение о явлениях вечной мерзлоты называется мерзлотоведением( в последнее время -геокриологией). В мерзлотоведении изучаются явления как вечной, так и сезонной мерзлоты, возникающей и исчезающей в зависимости от времени года и климатических условий.

Рисунок-1. Схематическая карта распространения вечномерзлых грунтов в Российской Федерации

Вечная мерзлота имеет широкое распространение. Почти 50% территории СССР и почти 24% суши всего земного шара относятся к криолитозонам. Положение криолитозон в числе прочих причин зависит от астрономического положения земного шара.

 

Рисунок-2. Распространение вечной мерзлоты

1-зона, где вечномерзлые грунты отсутствуют; 2-3 переходная зона; 4-зона вечномерзлых грунтов

Примерные границы зоны вечной мерзлоты на территории СССР видны на карте ( смотри рисунок-1 и рисунок-2). Участки с вечномерзлыми породами встречаются и вне криолитозон, главным образом в глубоких пещерах и в высокогорных областях( Алатау, Памир, Урал, Кавказ).

Рисунок-3. Схемы залегания вечной мерзлоты:

а-сливающаяся мерзлота; б-сливающаяся мерзлота с перелетками ; в-несливающаяся мерзлота.

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-3, 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. По данным И.В. Попова, мощность деячтельного слоя характеризуется величинами, приведенными в таблицу-1.

Таблица-1. Средние значения мощности деятельного слоя на территории Российской Федерации.

Ниже деятельного слоя лежит слой с многолетней отрицательной температурой ( рис-3, слой М).Мощность слоя вечномерзлых пород колеблется в очень больших пределах от 6, 0 до 1000,0 м и более. По данным И.В. Попова, мощность толщи вечномерзлых пород в Северном полушарии составляет, м:

Западный Шпицберген ( в отдельных местах) более 240;
Среднее течение реки Юкон ( Аляска) более 120;
Река Эльдорадо (Юкон) более 61;
Форт Черчил (Гудзонов залив) более 38;
Слияние рек Макензи и Лиард более 11,6;
Порт Нельсон (Гудзонов залив) более 10;
Устье реки Хоис(Гудзонов залив) более 6;

Известна попытка вырыть колодец в городе Якутске. Колодец достиг глубины 116 м, но из мерзлого слоя не вышел.Ниже слоя вечномерзлых пород залегают толщи земной коры с постоянной положительной температурой ( рисунок 3, слой Т).Так как летний и зимний режимы из года в год имеют неодинаковые температуры, то мощность деятельного слоя может измениться ( рис-3, слои Д макс и Д мин).Слой соответствующий разности между Дмакс и Д мин, называют слоем возможных перелеток мерзлоты ( слоя П).

Расположение зон деятельного и мерзлого слоев, показанное на рисунке-3, 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-3,в). Такой слой называют таликом, а мерзлоту несливающейся. Замечено, что в некоторых зонах встречается чередование талых и мерзлых слоев, такую мерзлоту называют слоистой .

По СНиП II-18-76, 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. Прилетками называют слои грунтов, замерзшие зимой и не оттаивающие в течение одного-двух лет.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°С 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.

Агрегатное состояние вечномерзлых грунтов

Участки вечной мерзлоты могут быть сложены как скальными, так и нескальными породами.Охлажденные до постоянно отрицательных температур скальные породы мало изменяют при этом свои свойства и характеристики.Только в тех случаях, когда замораживанию подверглись трещиноватые отдельности с трещинами, заполненными водой, замерзающая вода расширяет трещины и увеличивает трещиноватость породы.Это обстоятельство обязательно должно быть выявлено и учтено при инженерно-геологических исследованиях в зонах залегания мерзлых скальных пород.Нескальные породы в зонах вечной мерзлоты представлены всеми видамикрупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов.

Крупнообломочные и песчаные породы, отложенные вне залегания подземных вод, не изменяют своих свойств при замерзании и оттаивании. Такая мерзлота называется сухой.В значительной части участки с вечномерзлыми породами сложены водонасыщенными илами, супесями, суглинками и так далее.Часто встречаются участки, сложенные торфами.При переходе в мерзлое состояние такие породы цементируются льдом и приобретают характер скальных пород.При этом сопротивление сжатию доходит до 1,0 МПа, а скалыванию -до 0,5-1,5 МПа.Наименования скальных вечномерзлых грунтов сохраняются такими же, как и для немерзлых в зависимости от их минералогического состава, генезиса и структуры.

Название вечномерзлых нескальных грунтов принимают в соответствии с характеристиками,которые они приобретают после оттаивания.При этом в отличие от немерлых для мерзлых глинистых грунтов, содержащие частицы от 0,05 до 0,005 мм в количестве более 50 % к обычному наименованию добавляется слово пылеватые.Мерзлые грунты по их состоянию подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. К твердомерзлым относятся грунты, прочно сцементированные льдом и характеризуемые относительно хрупким разрушением и практической несжимаемостью под нагрузками от зданий и сооружений-с коэффициентом сжимаемости а≤10 ^-8 Па −¹.

Круапнообломочные, песчаные и глинистые грунты относятся к твердомерзлым, если их температура ниже значения t, характеризующего переход грунта из пластичного в твердомерзлое состояние и равного, °С:
Для крупнообломочных грунтов- 0°С;
Для песков крупных и средней крупности -0,1°С;
Для песков мелких и пылеватых -0,3°С;
Для супесей -0,6°С;
Для суглинков -1°С;
Для глин-1,5°С.

Грунты со степенью заторфованности q ≤ 0,25 относятся к твердомерзлым, если их температура t™ зтф ниже значения (Kq+t™), где К-температурная поправка, соответственно равная : для песчаных грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных -минус 10°С;для глинистых грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных -минус 5°С;Значение степени заторфованности q определяется как отношение массы растительных остатков в грунте, высушенном при t=105°С, к массе минерального скелета.

К пластичномерзлым относятся грунты сцементированные льдом, но обладающие вязкими свойствами и характеризуемые сжимаемостью под нагрузками от здания и сооружения (а>10 ^-8 Па −¹. К пластичномерзлым относятся песчаные и глинистые грунты со степенью заполнения объема пор грунта льдом и незамерзшей водой G ≥ 0,8, если их температура находится в пределах от температуры начала замерзания грунта t н.з до значения t™, а также все грунты со степенью заторфованности q>0,25. Состояние песчаных и глинистых грунтов при G<0,8, а также состояние засоленных грунтов устанавливается на основе результатов опытного определения коэффициента сжимаемости а.

К сыпучемерзлым относятся грунты крупнообломочные и песчаные, не сцементированные льдом вследствие малой их влажности. Суммарная влажность таких грунтов составляет Wc ≤ 0,03. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты как правило, не меняют своих механических свойств и не дают дополнительных осадков при смене отрицательных температур положительными.Трещиноватые скальные и крупнообломочные грунты, трещины и пустоты которых заполнены льдом, могут менять свои механические свойства и давать осадку при оттаивании, что должно учитываться при проектировании.

Дополнительными характеристиками мерзлых грунтов по сравнению с обычными немерзлыми грунтами являются :
1) суммарная влажность, включающая все виды воды в мерзлом грунте и суммарная льдистость.
2) криогенная текстура
3) степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой.
4) объемная масса скелета мерзлого грунта ;
5) относительное сжатие мерзлого грунта при переходе его в оттаявшее состояние ;
6) характеристики грунтов для мерзлых и оттаивающих оснований по первой и второй группам предельных состояний;
7) Характеристики грунтов деятельного слоя для расчета на действие сил морозного пучения ;
8) теплофизические характеристики: температура начала замерзания воды в порах грунта t н.з, коэффициенты теплопроводности грунта в мерзлом и талом состояниях λм и λт и соответственно объемные теплоемкости См и Ст;
9) засоленность грунта;
10) характеристики агрессивности грунтовых вод.

Суммарная влажность Wc определяемая отношением массы всех видов воды, содержащейся в мерзлом грунте к массе скелета грунта:

Wc =Wц+Wв+Wн=Wв+Wг,(1)

где Wц-влажность за счет порового льда, то есть льда, находящегося в порах грунта и цементирующего его минеральные частицы; Wв-влажность за счет ледяных включений ( линз и прослоек льда);Wн-влажность за счет незамерзшей воды, содержащейся в мерзлом грунте при данной температуре; Wг=Wц+Wн- влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями ; Wc,Wц,Wв,Wн,Wг-выражаются в долях единицы, причем Wc,Wв,Wн,Wг определяются опытным путем, а Wc и Wв вычисляются по формуле (1). Количество незамерзшей воды в грунтах Wн при отсутствии опытных данных можно определять по формуле:

Wн=ℜwWp+0,9Wгℜп.р/ℜp, где Wp-влажность грунта на границе раскатывания, доли единицы ; ℜw-коэффициент, принимаемый по таблице-3 в зависимости от числа пластичности Ip и температуры мерзлого грунта; ℜп.р-концентрация порового раствора в засоленном грунте, определяемая по формуле :

ℜп.р=Z/(Z+100Wг);

Z-засоленность мерзлого грунта,% равная отношению массы легкорастворимых солей gz,содержащихся в единице объема грунта , к объемной массе скелета грунта по выражению Z=100 (gz/ϒck.м) ;ℜр-равновесная концентрация порового раствора в засоленном грунте, при отсутствии опытных данных принимается равной:

Таблица-2. Значения коэффициента ℜр

 

Таблица-3. Значения коэффициента ℜw

Суммарная льдистость Лс определяется в долях единицы отношением объема льда, содержащегося в мерзлом грунте , к объему мерзлого грунта :

Лс=Лц+Лв=[ϒm(Wc-Wн)]/[ϒл(1+Wc0] (2)

где Лц-льдистость за счет порового льда, доли единицы; ϒм-объемная сила тяжести грунта в мерзлом состоянии ,

кН/м³; Лв-льдистость за счет ледяных включений, доли единицы:

Лв=ϒуWв/[ϒл+ϒу(Wc-0,1Wн)]

где ϒу-удельная сила тяжести грунта, кН/м³; ϒл- удельная сила тяжести льда 9,0 кН/м³.Значение Лв допускается определять по результатам непосредственных измерений ледяных включений в процессе исследования грунтов основания строительной площадки.

Криогенной текстурой называется сложение мерзлого грунта, обусловленное замерзанием содержащейся в нем воды и характеризуемое формой, величиной и расположением ледяных включений. Различаются массивная, слоистая  и сетчатая текстуры.

Массивная текстура характеризуется наличием только порового льда (Лв<0,03). Слоистая и сетчатая текстуры характеризуются наличием линз и прослоек льда (Лв≥0,03); в грунтах сетчатой текстуры эти включения расположены в виде сетки а в грунтах слоистой -в виде прослоек и линз, чередующихся с минеральными слоями. Минеральные слои характеризуются массивной текстурой. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой G определяется по формуле:

G=[(1,1 Wc+Wн)ϒу]/(εmϒв);

где εm-коэффициент пористости минеральных слоев мерзлого грунта в естественном состоянии ; ϒв-удельная сила тяжести воды (ϒв=10,0 кН/м³).Для криолитозоны характерно наличие в слагающих породах льда в виде отдельных кристаллов, линз, прослое, штоков и др.

Наличие льда создает как бы запас холода.При переходе породы в талое состояние на нагрев ее льда до 0°С требуется гораздо меньше тепла , чем на расплавление льда.И.В. Попов приводит интересный пример. В образце сечением 1см² и высотой 1600 см оказалось 364,5 г льда , то есть около 405 см³.Следовательно отношение объема льда ко всему объему образца составило 25,3%.

По подсчетам И.В.Попова, для нагревания минеральной части пород и льда до 0°С потребуется 1,4 кДж, а на расплавление льда ∼116,4 кДж, то есть в 88 раз больше.

Из приведенного примера видно, что количество тепла скрытой теплоты плавления очень велико, поэтому распространение в глубину процесса таяния или замерзания задерживается в зоне перехода через нулевую температуру.Эту зону М.И. Сумгин назвал нулевой завесой. П.Ф. Швецов отмечает, что в сухой мерзлоте такая зона отсутствует, а в пластичной -фактически будет относиться к области отрицательных температур порядка -1,0-0,2 °.Поэтому он предложил назвать эту зону фазовой завесой.

Формы нахождения льда в вечномерзлых отложениях различны.В порах нескольких пород лед является своего рода минералом, цементирующим нескальную породу, превращая ее в подобие ледяной брекчии или другого минерально-ледяного агрегата. При промерзании трещиноватых скальных пород вода, заполняющая трещины образует ледяные жилы, в которых большое распространение получили повторножильные льды, являющиеся результатом многократно повторяющегося процесса льдообразования.

В процессе замерзания в породе образуется сравнительно тонкие морозобойные трещины. Размеры таких трещин поверху не превышают 1-3 см. После попадания воды и ее замерзания образуется тонкая вертикальная ледяная жила , расклинивающая породу. При последующем протаивании части жилы, расположенной в деятельном слое , в трещину попадает новое количество воды., в свою очередь при замерзании расклинивающей первоначальную ледяную жилу.

Таким образом, внутри первоначальной жилы образуется жила второго слоя. Этот процесс повторяется из года в год, в результате чего образуется многолетняя многослойная ледяная жила, все время расширяющаяся. Среди повторножильных льдов различают льды эпигенетические и синтетические.

Эпигенетические льды образуются в ранее сформированных породах, позднее разбитых морозобойными трещинами на отдельные блоки. Синтетические возникают одновременно с отложением и формированием породы, поэтому такие ледяные жилы увеличиваются в своих размерах не только в ширину, как эпигенетические, но и вверх, одновременно с накоплением осадков.

Особый интерес представляет так называемые пещерные льды, являющиеся причиной пещерной мерзлоты вне криолитозоны. В глубоких пещерах может скопиться известное количество воды, впоследствии замерзшей и первратившейся в лед. Запас холода может оказаться настолько большим, что летом этот лед защищенный от внешнего воздуха и тепловых лучей солнца массой холодного воздуха в пещере, не протаивает. С течением времени запас холода увеличивается м вокруг ледяных масс образуется зоны вмещающих пород, сохраняющих многолетнюю мерзлоту.

Расчетные характеристики мерзлых грунтов -температуры начала замерзания минеральных грунтов и минеральных грунтов с примесью растительных остатков, коэффициенты теплопроводности в талом и мерзлом состояниях-определяют опытным путем.При отсутствии опытных данных разрешается принимать расчетные теплофизические характеристики пород по табличным данным, приведенным в СНиП II-18-76.

Читай далее продолжение статьи