Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

2.2.3. Островная мерзлота

Такой вид мерзлоты с размерами в  плане от десятков до нескольких сотен  метров и глубиной до 10 и более  метров, встречается в районе Сибири (северная часть Красноярского края, Иркутской, Читинской областей) (см. схему 3).

Схема 3. существования  островной мерзлоты на фоне талого грунта.

Часто бывает затруднительно геологическими изысканиями точно определить расположение такой мерзлоты. Не учёт (не определённое положение) данной мерзлоты может вызвать значительные трудности при возведении сооружений в этих районах. Необходимо проводить более точную (подробную) геологическую разведку. [7]

2.2.4. Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся  в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме 4. Размеры такой мерзлоты в плане могут составлять десятки метров, а мощность не превышать нескольких метров. Такие линзы на фоне талого грунта опасны тем, что их очень сложно определить. Если при постройке здания линза не была определена, и здание хотя бы частично будет накрывать линзу, то в процессе эксплуатации тепловые потоки от здания вызовут деградацию (оттаивание) линзы, что спровоцирует непрогнозируемые неравномерные осадки.

Схема 4. существования  линзовой мерзлоты на фоне талого грунта.

Если  проследить за изменением многолетней  мерзлоты в Сибири с Севера на Юг, то можно последовательно встретить  все перечисленные виды мерзлоты. Однако линзовая мерзлота может образоваться и «искусственно» на застраиваемых  территориях при условии нарушения теплообмена между поверхностью грунта и атмосферой.

Так, к  примеру, ещё в г. Иркутске в 1925 г. были зарегистрированы случаи образования  линз мёрзлого грунта. Строительство  здания здесь было начато в 1917 г. и  затем законсервировано на 8 лет. В результате под зданием образовалось линза мёрзлого грунта, которая после начала эксплуатации здания начала таять, что повлекло за собой неравномерные осадки и аварийную ситуацию в здании. Подобные явления были обнаружены в г. Братске и г. Шелехове (Иркутская область).

Следует привести результаты эксперимента, который  был поставлен в г. Братске (Рощин  В.В.) (см. схему 5). Над поверхностью грунта был построен навес размером 11 м на 24 м (такая конструкция из-за невозможности попадания солнечных лучей на грунт, нарушала естественный теплообмен в основании).

Схема 5. исследовательской  площадке по изучению условий искусственного образования линзы мёрзлого грунта.

Поперёк навеса с севера на юг были пробурены  исследовательские скважины, позволяющие  определять глубину промерзания (оттаивания) грунта. Наблюдения показали развитие следующего процесса:

• Через 1 год существования навеса протаивание грунта закончилось к концу сентября.
• Через 2 года существования навеса протаивание грунта закончилось к концу ноября.
• Через 3 года существования навеса протаивание грунта не происходило, так как под навесом образовалась линза мёрзлого грунта.

Таким образом, данные исследования наглядно показали, насколько чувствительна природная среда к внешним воздействиям.

Если  пробурить скважину в мёрзлом  грунте, то мы увидим следующую картину (см. схемау 6) изменения температуры грунта по глубине (z)

Схема 6. сезонных изменений температуры деятельного  и вечномёрзлого грунтов по глубине  основания в различные периоды  времени.

В летний период надмерзлотный слой грунта (деятельный слой) будет иметь положительную температуру, т.е. будет находиться в талом состоянии. С началом зимнего периода, при понижении температуры воздуха и поверхности грунта до отрицательного значения, надмерзлотный слой грунта начнёт промерзать. Годовые изменения амплитуды температуры данного слоя по глубине основания достигнут величины Н₀, ниже которой грунт будет находиться практически при постоянной отрицательной температуре ≈-4°C (многолетняя мерзлота).

При циклическом  действии отрицательной и положительной температуры на грунт, в последнем возможно три стадии:

1. Замерзание.
2. Мёрзлое состояние.
3. Оттаивание.

В каждом из названных состояний грунт будет иметь различные свойства.

Мёрзлый грунт - это грунт, имеющий отрицательную температуру и содержащий в своём составе лёд. [7]

2.2.5. Ежегодное оттаивание и промерзание деятельного слоя грунта

Промерзание деятельного слоя в зимний период может происходить не на всю глубину, в этом случае говорят о несливающейся  мерзлоте, так как между деятельным слоем и многолетней мерзлотой будет находиться прослоек талого грунта (см. схему 7).

Схема 7. несливающегося деятельного слоя грунта и возможность прокладки инженерных коммуникаций в этих условиях.

Наличие прослоя талого грунта при не сливающемся  деятельном слое, важно с точки  зрения возможности прокладки в  этом слое инженерных коммуникаций. Инженерные сети, проложенные в талом слое грунта, не будут испытывать деформаций, связанных с промерзанием и оттаиванием и потому экономически выгодны.

В процессе промерзания и оттаивания могут  происходить деформации грунта, которые  достигают 20…30% и более. От чего это  происходит? Из курса физики известно, что вода при замерзании увеличивается всего на ≈ 9%, однако в природных условиях данное явление объясняется миграцией влаги (перемещение грунтовой воды из нижележащих талых слоёв к фронту промерзания), которая в большой степени проявляется в глинистых грунтах. Это явление приводит к морозному пучению грунтов. [7]

2.2.6. Пучение грунтов при промерзании

Необходимо  отметить, что это очень важная проблема, с разрешением которой строители очень часто встречаются не только в районах многолетнемёрзлого грунта, но и в районах глубокого сезонного промерзания. Поэтому об этом нужно говорить отдельно.

Необходимо  упомянуть, что впервые с этим вопросом строители встретились при строительстве железных дорог на севере России (Сибири). При сливающемся деятельном слое, пучение глинистых грунтов, вследствие миграции влаги из нижележащих ещё талых слоёв к фронту промерзания, приводит к обезвоживанию нижележащего слоя (см. схему 8).

Схема 8. сливающегося деятельного слоя и развитие в  нём явления пучения грунта.

Если  обозначить: h_пучен. - величину пучения грунта; Н_пр. – толщину промерзающего деятельного слоя (Д.С.), то активная зона пучения (Н_акт) (см. эпюру на схеме) численно составит: Н_акт≈ 2/3 Н_пр.

Это явление  имеет большое значение, поскольку  позволяет размещать инженерные сети в обезвоженном – не пучинистом слое (нижняя 1/3 Н_пр.), без опасения их деформаций.

2.2.7. Осадка при оттаивании деятельного слоя грунта

При промерзании  грунт смерзается с поверхностями  фундаментов, а затем при пучении  деформирует их. Это часто приводит к перемещению фундаментов. В последствии, при оттаивании грунт теряет свои прочностные свойства, значительно увеличивается сжимаемость (возникают просадки). Возможен также выпор такого грунта из под подошвы фундамента (потеря устойчивости – не выполнение условий I предельного состояния). [7]

2.2.8. Образование наледей

На Севере часто можно было увидеть такую  картину (см. схему 9), когда наледи внезапно возникали под эксплуатируемыми домами. 

Схема 9. наиболее вероятного образования наледи при  сливающемся деятельном слое и высоком  уровне грунтовых вод.

Объясняется это тем, что под домом глубина  промерзания при сливающимся  деятельном слое (Д.С.) значительно меньше (тепловое влияние здания), чем на открытой поверхности. Это приводит к образованию напорных вод (при высоком У.Г.В. и сливающимся деятельном слое), которые могут прорываться, и, вытекая через окна и двери, замерзая на поверхности, образовать наледь.

Особенно  большой вред наледи, образующиеся в период промерзания деятельного  слоя, приносят дорогам (см. схему 10).

Схема 10. образования наледи на дорогах.

При промерзании  деятельного слоя (сливающаяся мерзлота), грунт, прежде всего, промёрзнет под  дорогой (влияние кюветов). Остальная  часть деятельного слоя будет  находиться в стадии промерзания. В  результате возникает движение напорных вод по склону и возможен прорыв их на поверхность с образованием наледи.

Как бороться с этим явлением?

Наиболее  эффективно применение специальных  мероприятий, т.е. искусственное создание условий, способствующих более быстрому промерзанию грунта в необходимом для нас месте (см. схему 11). Используется расчистка поверхностей от снега, снятие растительного слоя, и т.д. В результате под очищенным местом происходит быстрое промерзание и слияние деятельного слоя с многолетней мерзлотой. Данное мероприятие останавливает движение напорных вод в сторону дороги и если происходит образование наледи, то в данном месте она не оказывает негативное воздействие на эксплуатируемую дорогу.

Схема 11. специальных  мероприятий по предохранению автомобильных  дорог от образования наледей. [7]

2.2.9. Течение склона. Явление солифлюкции

Явление солифлюкции или течение склона в результате процессов промерзания и оттаивания, достаточно наглядно представлено на схеме 12.

Схема 12. развития явления солифлюкции в деятельном слое на склонах грунта.

Если  взять на поверхности склона деятельного  слоя точку А, то при промерзании  в результате пучения она получит  перемещение в точку В. Затем  при оттаивании под действием  сил гравитации точка В опустится и окажется в положении точки С.

Таким образом, в результате сезонного  изменения температур точка А  в конечном итоге переместится в  точку С, т.е. возможно постепенное  сползание склона.

Даже  один и тот же склон может иметь  участки поверхности с различным уклоном (см. схему 13). В этом случае более крутые участки склона будут иметь большую скорость (V₁) сползания, по сравнению со скоростью (V₂) на более пологих участках. В результате на участках с меньшей скоростью течения склона, частицы грунта будут постепенно скапливаться, вплоть до полной остановки (горизонтальный участок с V₂ =0).

Схема 13. развития неравномерного процесса течения склона в деятельном слое грунта.

Таким образом, образуются своеобразные «волны рельефа склона», идущие вверх, в  то время как солифлюкационный слой течёт вниз. [7]

2.2.10. Изменение температуры в верхних слоях вечномёрзлых грунтов

Ниже  глубины Н₀ - амплитуды нулевых температур вечномёрзлый грунт будет находиться при постоянной отрицательной температуре ≈-4° с. Такая постоянная температура обеспечена практически на глубине ≈15 м (глубина нулевых амплитуд).

Мёрзлый грунт представляет фактически твёрдое тело. Прочность (R) мёрзлого грунта практически линейно зависит от его температуры R =f (t°C) (см. схему 14). При изменении температуры верхних слоёв изменится и прочность, чем выше температура, тем меньше прочность.

Схема 14. - график изменения прочности мёрзлого грунта в зависимости от отрицательной  температуры. [7]

2.2.11. Просадка при оттаивании слоя вечномёрзлого грунта

Это явление у строителей является своего рода бичом. При оттаивании многолетнемерзлого грунта прочностные характеристики грунта резко падают, это явление необходимо учитывать при строительстве зданий в подобных местах.

В одном  из посёлков северной экспедиции было замечено следующее явление. Прокладывали дорогу, но как только вездеход несколько раз проходил по одному месту на этом месте образовывался овраг!