Особенности вечномерзлых грунтов. Два принципа проектирования фундаментов на этих структурно-неустойчивых грунтах.

Мерзлые грунты в технической литературе часто именуют «крио­генными» (криос — холод, лед). Для грунтов этого класса характерны структуры с криогенными связями, т. е. структуры, скрепленные ледяным цементом. Мерзлое состояние грунтов, т. е. в условиях отрицательных температур, бывает временным и постоянным (веч­ным).

Временное мерзлое состояние. На территориях, где бывает зима с отрицательными температурами, грунты у поверхности земли промер­зают. Это так называемая «сезонная» мерзлота. Скальные грунты при этом получают отрицательную температуру, а дисперсные и техноген­ные замерзают за счет перехода в порах грунтов жидкой воды в твердое состояние (лед). В скальных фунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклинивающего действия образующе­гося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвяз­ные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную проч­ность, несколько увеличивают объем и становятся водонепроницае­мыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при механи­ческой разработке. При небольшой влажности, что может быть в песках, свойства грунтов при переходе от положительной к отрица­тельной температуре практически мало меняются.

В весеннее время года лед в грунтах растаивает. Дисперсные грунты теряют прочность, становятся водонасышенными. Особенно сильно это сказывается на органоминеральных и органических грунтах, кото­рые могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несу­щей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под фундаментов сооружений.

Вечная мерзлота в России занимает большие площади на севере Европейской территории, и особенно в Сибири, в многолетнемерзлом состоянии находятся грунты скальные, полускальные, дисперсные. К классу мерзлых фунтов относят также чистые льды, входящие в фунтовые толщи в виде прослоев и линз, также льды подземных пещер. Кроме России вечномерзлые фунты распространены на Аляске, в Гренландии, Северной Монголии.

В России территорию вечномерзлых фунтов делят на три зоны: сплошную; с таликом; островную (рис. 34).

Сплошная мерзлота занимает крайний север Сибири, мощность мерзлой толщи сотни метров, температура грунтов минус 7—12 ° С.

Зона с таликами располагается южнее. Отдельные участки зоны представляют собой талые фунты; мощность мерзлых толщ 20—60 м при температуре 0,2—2 °С

Зона островной мерзлоты занимает территорию юга Сибири; мерз­лые фунты встречаются в виде отдельных участков; мощность толщ 10—30 м; температура от 0 до —0,3 "С.

Вечномерзлая толща по вертикали разделяется на две части: 1) дея­тельный слой; 2) собственно мерзлая толща.

Деятельный слой — это верхняя часть толщи вечной мерзлоты, которая в летний период оттаивает и замерзает зимой, т. е. в опреде­ленной мере это сезонная мерзлота. Мощность этого слоя зависит от климата и литологического состава грунтов и колеблется от 0,3 до 4 м. На Севере мощность минимальная, на Юге — наибольшая. В одном л том же месте в торфе или глине мощность слоя может быть 0,2—1 м, в то же время как в песках и гравии, имеющих открытые поры, 2—4 м.

Деятельные слои бывают двух видов: сливающиеся (типично северным районам); несливающиеся (рис. 35). В первом случае деятельный слой в зимнее время полностью промерзает и сливается с вечной мерзлотой, на которой лежит. При несливающемся деятельном слое между ним и вечномерзлой толщей остается слой незамерзшего грунта. Это бывает связано лишь с теплой зимой, либо характером деятельного слоя.

Для решения строительных задач важно знать мощность деятель­ного слоя. Эту мощность можно определить:

· при инженерно-геологических изысканиях;

· по многолетним (более 10 лет) наблюдениям за данным районом;

· расчетным способом, при котором учитывается тепловое влияние
будущего здания или сооружения.

В деятельном слое располагается надмерзлотная вода (грунтовая), залегающая на вечной мерзлоте, как на водоупоре.

Строительство в области вечной мерзлоты во многом зависит от характера деятельного слоя — мощности, физических и физико-меха­нических характеристик грунтов, поведения надмерзлой воды. С этим слоем связаны земляные работы и многие негативные процессы, приводящие к деформации объектов.

По физическому состоянию вечномерзлые грунты разделяют на три вида:

· твердомерзлые, например, сцементированный песок, который
ведет себя как скальный грунт;

· пластично-мерзлые, примером могут быть сцементированные
льдом глинистые грунты, которые содержат также жидкую воду; эти
грунты могут, под нагрузкой, сжиматься;

· сыпучемерзлые — в виде песка, гравия и им подобным, в которых
обломки и частицы льдом несцементированы и грунты находятся в
рыхлом состоянии.

Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от характера распределения в них льда и формы льда. Это обуславливает три текстуры мерзлых толщ:

· массивная —лед в фунте распределен равномерно;

· сложная —лед кроме кристаллов присутствует в виде слоев (про-
тоев, линз);

· сетчатая — слои и прослои льда пересекаются в разных направлениях.

При оценке свойств большое значение имеет общее количество льда в объеме грунта. Для этого введено понятие льдистость. Суммарная льдистость обозначается J_tot.

Для вечномерзлых территорий характерен ряд криогенных процессов - морозное пучение, бугры пучения, термокарст, солифлюкция и наледи.

Морозное пучение проявляется зимой в виде локальных поднятий дорожных одежд (на 0,2—0,5) в силу промерзания деятельного слоя. Весной грунт оттаивает и на месте пучения образуется яма. Морозное пучение, которое оценивается коэффициентом k_h, предупреждается рядом мероприятий, отраженных в проектной документации.

Бугры пучения образуются в результате подъема промороженного деятельного слоя за счет давления снизу межпластовых напорных подземных вод. Бугор растет несколько лет и достигает больших размеров по высоте и ширине. После оттаивания бугров образуются небольшие западины или даже озера.

Термокарст представляет собой процесс вытаивания льда в мерзлой толще за счет поступления тепла с поверхности земли. В результате поверхность земли начинает проседать, а иногда просто образует провалы.

Солифлющия — оплывание оттаивающих в летнее время фунтов, которые залегают на обогреваемых солнцем склонах рельефа (с укло­ном 7—10 °). Оплывание происходит по мерзлым грунтам.

Наледи представляют собой образование льда за счет прорыва н: поверхность земли надмерзлотных (грунтовых) вод или выхода речных вод на свой ледяной покров. Вода заливает подвалы и здания разру­шаются.

Строительство и эксплуатация объектов на территории вечно мерзлоты представляет собой сложную работу и осуществляется специальным нормативам. При земляных работах строителям прихо­дится разрабатывать вечную мерзлоту, как скальный грунт. Поэтому при строительстве стремятся не делать выемок.

Деформация зданий и сооружений связаны с оттаиванием вечно-мерзлых грунтов. В целом строительство в районах вечномерзлых грунтов осуществляется по трем принципам: