Процессы в промерзающих грунтах

Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет 

Кафедра геотехники 
 
 
 
 

Отчет по геологической практике на тему:

«Процессы в промерзающих грунтах» 
 
 
 
 
 
 

Работу  выполнила

студентка гр. 2ПГС IV

Комиссарова И.И.

шифр 06-367 
 

Санкт-Петербург

2010 г. 
Содержание 
 

Введение 

    Криогенными процессами называют геологические процессы, которые происходят при промерзании или оттаивании горных пород, а также замерзании подземных вод. Сезонное оттаивание — это оттаивание летом верхней части толщи мёрзлых пород. 
Этот оттаивающий слой называется сезонно-талым слоем. Сезонное промерзание соответственно — промерзание зимой верхней части талых пород, представляющей собой сезоно-мёрзлый слой.

    Промерзание поверхностных слоев земной коры обусловливает объемное деформирование многих влажных дисперсных горных пород, почв и грунтов, выражающееся в увеличении объема и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. Процесс такого деформирования пород в строительной практике принято называть морозным пучением, а сами грунты, подвергающиеся пучению, пучинистыми или морозоопасными.

    Необходимость учета и предупреждения воздействий  промерзающих морозоопасных грунтов  на фундаменты и конструкции зданий и сооружений (что сопряжено с оценкой деформаций и сил морозного пучения) является одним из основных условий обеспечения устойчивости, эксплуатационной пригодности и долговечности сооружений, возводимых в районах сезонного промерзания грунтов.  

    Процессы, происходящие в деятельном слое

    (сезонного промерзания и оттаивания) 

    К ним относятся: значительные колебания  температуры; промерзание и оттаивание грунтов; морозное пучение грунтов; миграция влаги к фронту промерзания; перемещение влаги под действием  гидравлического градиента; образование морозобойных трещин; сползание грунта по склонам (солифлюкция); поверхностные оползни. 

    Колебания температуры 

    Колебания температуры по глубине деятельного  слоя 1 и слоя вечномерзлого грунта 2 (рис. 1) легко зафиксировать, измеряя температуру на разных глубинах в течение года в скважине  результаты измерений приведены на рисунке, римскими цифрами указаны месяцы). Наибольшие колебания температуры испытывает самый верхний слой. С глубиной колебания уменьшаются, и ниже некоторой границы 3 температура практически постоянна. Эту границу называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры.

     
Рис. 1. Распределение температуры в пределах толщины

     сливающегося деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта

     (за начало координат принята температура начала замерзания грунта)  

    График  колебаний температуры демонстрирует  и ход промерзания и оттаивания грунтов, залегающих выше границы оттаивания 4. Согласно наблюдениям, грунт промерзает преимущественно сверху. Однако при сливающемся деятельном слое имеет место небольшое промерзание грунта и снизу, от верхней границы вечномерзлого грунта. Оттаивание грунта происходит только сверху. 

    Морозное  пучение 

    Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д.

    В ходе промерзания влажных пылевато-глинистых  грунтов и пылеватых мелких песков, как правило, происходит морозное пучение грунта, которое является следствием увеличения объема воды при переходе ее в лед и миграции влаги из нижних горизонтов к фронту промерзания. Морозное пучение в случае сливающегося деятельного слоя весьма ограничено и чаще всего не превышает 3 % его толщины. Однако если происходит движение надмерзлотной грунтовой воды или деятельный слой не промерзает до верхней границы слоя вечномерзлого грунта, то морозное пучение может достигать десятков процентов толщины этого слоя и оказывать значительное влияние на конструкции, расположенные в пределах его интенсивного воздействия. Эти конструкции в ходе промерзания поднимаются силами пучения вверх, весной же они не могут перемещаться вниз вместе с оседающим грунтом, который оттаивает сверху, так как удерживаются еще не стаявшей частью деятельного слоя, а иногда и слоем вечномерзлого грунта. Следствием этого является выпучивание конструкций, заглубленных в грунт (столбов, фундаментов и др.).

    Одно  из явлений, широко распространённое в  пределах криолитозоны, — это многолетние  бугры пучения. Образовываться они  могут по-разному. Так, например, при промерзании талых торфяников зимой к ним начинает мигрировать вода из талых пород. Она тут же замерзает, превращаясь в объёмистый шлир льда. Торфяник приподнимается, на нём образуется бугор, постоянно увеличивающийся, поскольку вода всё продолжает поступать. Скорость роста таких бугров составляет до 10—30 см в год. Они достигают в высоту от 2—3 до 20 м, а в основании — от нескольких десятков до сотен метров. Такой бугор пучения называют миграционным, т.к. он образовался в результате миграции влаги.

    Существуют  и другие виды многолетних бугров пучения. Один из них — инъекционный. Он возникает обычно в районах мелких озёр и других небольших водоёмов. Зимой такое озеро на вечной мерзлоте зачастую промерзает до дна. Однако под ним всегда есть насыщенные водой талые породы. Они также начинают промерзать. Талые породы оказываются как бы в мёрзлом мешке: сверху них лёд, снизу вечная мерзлота. Объём такого мешка по мере промерзания постепенно уменьшается, и вода талых пород, сжимаясь, начинает давить на сдерживающие их стенки и кровлю. Наконец, поддавшись этому давлению, мёрзлая кровля в наиболее слабом месте выгибается, образуя бугор пучения шлемовидной формы. Такие бугры пучения якуты называют «булгунняхами», а эскимосы — «пинго». Размер их зависит от количества воды в подозёрных талых породах (таликах) и может достигать в высоту 30—60 м, а в основании — 100—200 м. Наиболее часто булгунняхи встречаются в Центральной Якутии, на арктических приморских низменностях северо-востока Сибири и Северной Америки.

    Наиболее  распространённое явление — выпучивание  врытых столбов, камней и других твёрдых  тел из рыхлых отложений, которые  при промерзании увеличиваются  в объёме и пучатся. Нередко зимой  такие рыхлые грунты смерзаются с  вкопанным столбом, а затем, пучась, поднимают его вверх. Столб как бы вынимается из непромёрзшей части сезонно-талого слоя. Образовавшаяся под ним полость заполняется водой или разжиженным грунтом. При полном промерзании сезонно-талого слоя в этой полости образуется лёд или сильнольдистый грунт. Летом, пока не оттает подошва столба, он сохраняет своё приподнятое положение. После вытаивания льда в полости под столбом остаётся грунт, и потому столб, хотя и уходит в землю, но не настолько, чтобы принять своё первоначальное положение. С началом следующей зимы история повторяется. И так из года в год. Постепенно столб теряет устойчивость, наклоняется и падает. Не беда, когда это происходит со столбами изгородей, но когда падают телеграфные столбы и опоры электросети, деформируются сваи фундаментов зданий — это уже стихийное бедствие. В природе же многолетний процесс выпучивания валунов, скальных обломков и мелких камней приводит к формированию на поверхности каменных россыпей, образованию на пологих склонах целых каменных потоков.

    Морозное  пучение резко изменяет физико-механические свойства грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны  интенсивности пучения. При оттаивании мерзлых грунтов, подвергшихся пучению, повышается водопроницаемость и  сжимаемость оттаявшего грунта, значительно понижается его несущая способность, что приводит к осадке сооружений, а на железных и автомобильных дорогах - к весенним просадкам земляного полотна, сопровождаемым разжижением и выплесками грунта, образованием бугров выпирания, смещением откосов, кюветов и т.п.  

    Перемещение влаги 

      Перемещение влаги под действием  гидравлического градиента свойственно  надмерзлотным, межмерзлотным и  подмерзлотным грунтовым водам. 
Надмерзлотные грунтовые воды, обычно перемещающиеся только при уклоне местности, приурочены к слоям песка, супеси и других хорошо фильтрующих грунтов При несливающемся деятельном слое они могут находиться в слое талого грунта. Эти воды оказывают существенное влияние на миграцию влаги к фронту промерзания и способствуют морозному пучению грунтов деятельного слоя. 
Межмерзлотные подземные воды находятся между двух слоев вечномерзлого грунта. Обычно они служат путями для выхода подмерзлотных вод на поверхность земли или в деятельный слой.

    Подмерзлотные подземные воды, расположенные под слоем вечномерзлого грунта, имеют значение при устройстве фундаментов только в случае выхода вод через талики в деятельный слой и питания ими надмерзлотных вод. 
 

    Рис. 2. Схема образования грунтовой наледи на склоне местности 
1 – промерзший слой грунта; 2 – водоносный непромерзший слой грунта;

    3 – перемещающиеся  по склону  грунтовые воды; 

    4 – слой вечномерзлого  грунта; 5 – грунтовая наледь 

    Грунтовые наледи и растрескивание пород 

    При наличии подземных вод всех видов  создаются условия для образования  грунтовых наледей. Даже при небольшом уклоне местности надмерзлотные воды  перемещаются вниз по склону (рис. 2). Если грунт, например под дорогой, промерзнет до верхней границы вечномерзлого грунта раньше, чем на остальной территории, покрытой растительностью и снегом, то между промерзшим слоем и слоем вечномерзлого грунта в непромерзшем слое будут скапливаться грунтовые воды с повышением давления. Под действием этого давления промерзший слой может быть поднят и сломан в слабом месте. После этого вода начнет вытекать через трещину, образуя грунтовую наледь. В некоторых случаях разрыва промерзшего слоя не происходит, но он поднимается вверх в виде холма, и под ним образуется линза льда.

    Кроме рассмотренной, возможны и другие причины  образования грунтовых наледей. Так, наледи могут образовываться в  местах выхода на поверхность межмерзлотных  и подмерзлотных грунтовых вод, а также вследствие замкнутости  объема обводненного грунта, поскольку промерзание воды в песке приводит к ее отжатию от фронта промерзания. Отжатие же, в свою очередь, создает гидростатическое давление, вызывающее поднятие промерзшего слоя в отдельных местах. 
Как уже было сказано, в верхней части промерзшего слоя температура грунта сильно понижается (см. рис. 1). В таком случае грунт ведет себя как твердое тело, т. е. уменьшается в объеме. Это приводит к небольшому опусканию поверхности грунта по вертикали и к возникновению в нем напряжений растяжения в горизонтальном направлении. Под воздействием этих напряжений в грунте образуются морозобойные трещины. Их образованию способствует изгиб промерзшего слоя, так как в верхней части он сжимается в результате снижения температуры больше, чем у границы промерзания. В то же время изгибу промерзшего слоя препятствует момент, возникающий от действия его веса. В результате указанных причин образующиеся в промерзшем слое трещины сначала имеют небольшую ширину раскрытия, затем по мере понижения температуры они получают развитие. Особенно неблагоприятно воздействие морозобойных трещин на линейные сооружения (трубопроводы, подземные кабели и др.) – оно приводит к их разрушению.