Геологические процессы, обусловленные действием отрицательной температуры

Зимой грунт на некоторую глубину промерзает, а весной - летом оттаивает. Глубина сезонного промерзания (ГСП) зависит от климата, рельефа, мощности снежного покрова, состава пород и многих других факторов, меняясь в различных областях России от 0,4 до 3 метров. В пределах ГСП происходит перераспределение влаги в грунте и переход воды в лед, что в конечном счете может привести к увеличению объема грунта. Этот процесс называется морозным пучением. Оно имеет большое значение для многих конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий и пр. Интенсивность морозного пучения зависит от ГСП, характера промерзающих пород, их влажности и возможности дополнительного увлажнения при высоком положении уровня подземных вод.

Причин морозного пучения две: увеличение объема при замерзании находящейся в порах грунта воды, поскольку плотность льда меньше, чем у воды. Однако основной причиной является миграция воды к фронту промерзания в двух ее формах: капиллярной и пленочной, или рыхлосвязанной. Движение последней связано с уменьшением толщины водных оболочек частиц грунта при росте на фронте промерзания кристаллов льда. Поэтому у фронта промерзания идет процесс избыточного льдовыделения и соответственно при понижении фронта до ГСП в грунте льда окажется много больше того, что обусловила бы первоначальная влажность грунта. Следствием описанного процесса будет подъем свободной поверхности грунта – как правило, неравномерный с образованием горбов – пучин. Если же возможность поднятия вверх затруднена находящейся здесь конструкцией, на нее будет действовать давление морозного пучения.

По характеру процесса очевидно, что наиболее пучиноопасными будут грунты с большим содержанием пылеватой фракции – супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески. Пучение не происходит в чистых гравелистых, крупных и средней крупности песках, в массивных скальных породах.

На железных дорогах пучение приводит к образованию пучин – местных поднятий верхнего строения пути, искажающих его продольный профиль и ухудшающих условия движения. При оттаивании и переувлажнении верхнего слоя земляного полотна в разжиженный грунт уходит балласт; в основной площадке образуются балластные корыта. При подсыпках балласта повторение процесса приводит к возникновению балластных мешков, карманов, распространяющихся на глубину нескольких метров.

К мероприятиям по борьбе с морозным пучением фундаментов зданий и земляного полотна железных дорог относятся:

- устройство в основании здания или насыпи земляного полотна прерывателей капиллярного подъема воды – слоев из щебня, гравия и гальки;

- устройство подушек из шлака, песчано-гравийных смесей;

- применение термоизоляции;

- устройство гидроизоляции из полимерной пленки;

- обработка зоны миграции влаги постоянным электрическим током с подачей в перфорированный анод раствора хлористого кальция.

Из профилактических мер важное значение имеет очистка балласта и надзор за исправностью водоотводных устройств.

В некоторых районах Севера Европы, Азии, Америки верхние слои ЗК постоянно находятся в мерзлом состоянии, имея температуру ниже нуля. Это области вечной мерзлоты (ВМ); общая площадь ее на земной поверхности 35,07 млн. км². В летний период небольшой верхний слой грунта (обычно до 2,5 м) оттаивает, т.е. это слой сезонного оттаивания, или деятельный слой. В России ВМ занимает 11,2 млн. км², что составляет 65,6% ее территории. В зоне ВМ проходит большая часть БАМ, вся Амуро-Якутская магистраль, разрабатываются многие месторождения полезных ископаемых. Поэтому изучение ВМ имеет большое значение.

ВМ очень разнообразна; некоторое представление об этом дают следующие классификации.

А) По распространению в плане – сплошная; с таликами, то есть участками талых пород; островная, когда ВМ встречается в виде островов, окруженных обычными талыми грунтами. На севере Сибири ВМ сплошная с мощностью до 100…500 м; ближе к южной границе ВМ встречается отдельными участками среди талых пород, т.е островная.

Б) По разрезу – непрерывная и слоистая, когда чередуются мерзлые и талые слои.

В) По соотношению с деятельным слоем – сливающаяся и несливающаяся. В последнем случае между промерзающим зимой деятельным слоем и вечной мерзлотой остается слой талого грунта.

Г) По состоянию и степени цементации породы льдом различают ВМ монолитную, сухую и пластичную, а слагающие ее грунты называют соответственно твердомерзлыми, сыпучемерзлыми и пластичномерзлыми. Твердомерзлые – это глинистые породы при низких температурах (-2⁰ и ниже), прочно сцементированные льдом; сыпучемерзлые – несвязные маловлажные грунты. Пластичномерзлые наиболее неблагоприятны в строительстве; это глинистые грунты при отрицательных температурах, близких к нулю. По виду они почти не отличаются от талых грунтов, но при оттаивании переходят в текучепластичное или даже текучее состояние, т.е. становятся заведомо слабыми грунтами.

Подземные воды ВМ подразделяются на три типа: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные – это воды первого водоносного горизонта, приуроченного к породам деятельного слоя. Водоупор для них – ВМ. Могут полностью или частично промерзать; в последнем случае в них может появиться напор, хотя в общем это ненапорные воды, аналогичные грунтовым.

Межмерзлотные воды циркулируют по таликам и трещинам в толще ВМ, часто являются напорными. Подмерзлотные – напорные воды глубоких водоносных горизонтов под толщей ВМ.

К наиболее характерным мерзлотным процессам и явлениям относятся наледи, бугры пучения, морозобойные трещины и клинья льда, термокарст, солифлюкция, заболачивание.

Наледи образуются в местах прорыва надмерзлотных вод, когда они оказываются под напором из-за промерзания сверху деятельного слоя. Прорывы происходят в местах ослабления промерзшего слоя, или там, где промерзания не произошло – например, под сооружениями. Они наледью могут быть повреждены или разрушены. Распространены также наледи речные и озерные, иногда они могут захватить и берег. Летом лед тает. Но распространены и многолетние наледи (ключевые), связанные с выходами межмерзлотных вод таликов или даже подмерзлотных в виде источников.

Наледи могут повреждать опоры мостов, земляное полотно, забивать водопропускные трубы и тоннели. Борьба с наледями ведется скалыванием и таянием льда, искусственным утеплением русла водотоков в местах размещения искусственных сооружений, устройством мерзлотных поясов и др.

Бугры пучения возникают при поднятии промерзшей толщи деятельного слоя под напором надмерзлотной воды, в особенности связанной с таликами межмерзлотных вод. Но при больших размерах бугра и поступлении напорных вод вытаивания льда может не произойти и рост бугра продолжится. Такие многолетние бугры пучения называются гидролакколитами (булгунняхи). Прорыв напорных вод может проявиться в виде взрыва с разрушением верха бугра, образованием кратера и разбрасыванием глыб породы и льда на значительное расстояние. Располагаются бугры пучения чаще в низинах, поймах рек, у подножья горных склонов.

Термокарст – образование различных понижений – отрицательных форм рельефа (воронки, блюдца, котловины провалы) при вытаивании подземного льда и последующем оседании поверхности. Термокарст может быть связан с изменением климатических условий, особенно в южной зоне ВМ, а также в связи с хозяйственной деятельностью человека. Впадины заполняются водой и возникает типичный ландшафт «озерной тундры». При высыхании озер остаются котловины до 2-3 км длиной и 20 – 40 м глубиной – аласы.

Солифлюкция – оплывание, течение оттаявшего верхнего слоя на склоне. В результате на поверхности последнего появляются оплывины, террасовидные уступы.

Заболачивание развивается при избыточном увлажнении вследствие оттаивания верхнего слоя; водоупором является ВМ. При отсутствии стока в теплый период быстро развивается влаголюбивая растительность. Возникающие так болота называются мари.

Успешное строительство на ВМ возможно лишь при всестороннем учете ее особенностей. Это важно при выборе местоположения и принципа строительства – с сохранением мерзлого состояния грунта или его оттаиванием, что далее определяет технологию строительства и применяемые конструктивные решения сооружений, а также железных и автомобильных дорог. Заметим, что в дорожном строительстве практически всегда ориентируются на сохранение ВМ. Отсюда следуют такие конструктивные и технологические особенности, как преимущественное применение земляного полотна в виде насыпей, включение в них различных элементов регулирования вводно-теплового режима, производство работ в зимнее время, необходимость минимальных нарушений растительно-мохового слоя на территории и др.