Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты)

Тема 5. Строительство в условиях вечномёрзлых грунтов

Терминология

1. Грунт мерзлый: Грунт, имеющий отрицательную или нулевую температуру, содержащий в своем составе видимые ледяные включения и (или) лед-цемент и характеризующийся криогенными структурными связями;

2. Грунт многолетнемерзлый, синоним - грунт вечномерзлый: Грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет;

3. Грунт сезонномерзлый (сезонноталый): Грунт, находящийся в мерзлом или талом состоянии периодически в течение холодного или теплого сезона;

4. Грунт твердомерзлый: Дисперсный грунт, прочно сцементированный льдом, характеризуемый относительно хрупким разрушением и практически несжимаемый под внешней нагрузкой;

5. Грунт пластично-мерзлый: Дисперсный грунт, сцементированный льдом, но обладающий вязкими свойствами и сжимаемостью под внешней нагрузкой;

6. Грунт пучинистый: Дисперсный грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения e_fn ³ 0,01;

7. Слой сезонного оттаивания: Поверхностный слой грунта, оттаивающий летом;

8. Морозное пучение грунтов: Процесс увеличения объема и деформирования дисперсных грунтов при промерзании;

9. Термокарст: Образование просадочных и провальных форм рельефа и подземных пустот вследствие вытаивания подземного льда или оттаивания мерзлого грунта;

10. Термоэрозия: Разрушение и вынос оттаивающих и мерзлых дисперсных грунтов и льдов в результате теплового и механического воздействия водных потоков.

Вечномёрзлые грунты

Многолетняя мерзлота (или вечная мерзлота) — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей суши земного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью — это Австралия, в Африке возможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%.

От 60% до 65% территории России — районы многолетней мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

В Ямало-Ненецком национальном округе плотность населения на 1 км. кв. равна 0,7 чел., в Корякии и на Чукотке – 0,1-0,2, а в Эвенкии и на Таймыре и вовсе 0,03-0,06. В то же время в районах вечной мерзлоты сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты.

Северная строительно-климатическая зона включает районы Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока. Она отличается широким диапазоном изменения температур и влажности воздуха, ветровых воздействий, ландшафта.

Термин вечная мерзлота следует представлять во временном периоде порядка нескольких сотен лет и более, а в общем случае, в соответствии со временем существования мерзлоты, следует рассматривать следующие структуры:

• Вечномерзлые грунты, существующие века и тысячи лет.
• Многолетнемёрзлые (м.м.), существование годы, десятки лет.
• Сезонная мерзлота, существование часы, сутки.

Существует несколько видов вечномерзлых грунтов. Из инженерной геологии (геокриологии) известны следующие виды: сплошная мерзлота, слоистая мерзлота, островная мерзлота и линзовая мерзлота. Рассмотрим эти виды вечной мерзлоты подробнее.

Данный вид мерзлоты встречается на крайнем севере России.

Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями, представлена ниже.

Схема существования сплошной мерзлоты с основными принятыми обозначениями.

Слоистая мерзлота (деградация сплошной мерзлоты)

Схема существования слоистой мерзлоты с основными принятыми обозначениями.

Данный вид мерзлоты встречается в отдельных местах и не имеет чёткой теории происхождения. Одной из теорий предполагается, что этот вид мерзлоты (см. схему) произошёл в результате деградации сплошной мерзлоты.

Возможно, возникла тектоническая трещина, по которой прошла вода (тепло), и оттаял слой грунта с большей теплопроводностью.

Интересно отметить, что ещё издавна исследователи ставили вопрос о мощности слоя многолетней мерзлоты. Так в 1827 г. в Якутске русский купец Фёдор Шергин (служащий Русско-Американской компании) решил прокапать мёрзлый грунт для колодца и добыть воду. В последствии он заключил пари. Разработав примерно 100 м - мёрзлый грунт не был пройден. В результате Фёдор Шергин практически разорился. Русская Академия наук заинтересовалась этим и выделила деньги для продолжения работ - этих денег хватило ещё примерно на 15 м проходки. Таким образом, был откопан колодец глубиной H = 116,4м - за 16 лет. Этот колодец носит название «Шергинская шахта

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).

Схема 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.

Линзовая мерзлота

Коварство данного вида мерзлоты, встречающейся в южных районах Сибири, наглядно представлено на схеме. 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 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). 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 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. схему) изменения температуры грунта по глубине (z):

Схема 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.